JP5814006B2 - オーディオ信号処理回路およびそれを用いたオーディオ装置 - Google Patents

Description

本発明は、オーディオ信号処理技術に関する。

オーディオ装置において、オーディオ信号の音量を調節したり、周波数特性を変化させたり（イコライズ）する目的で、オーディオ信号処理回路が利用される。

図１は、本発明者が検討したオーディオ装置の構成を示すブロック図である。オーディオ装置１ｒは、音源２、スピーカもしくはヘッドホンなどの電気音響変換素子（以下、単にスピーカと総称する）４およびオーディオ信号処理回路１００ｒを備える。音源２からは、デジタルのオーディオ信号Ｓ１が出力される。音源２は、たとえばデジタル出力を有するＣＤプレイヤ、ＤＶＤプレイヤ、シリコンオーディオプレイヤであり、あるいはアナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換するＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。オーディオ信号処理回路１００ｒは、音源２からのオーディオ信号Ｓ１を受け、その振幅レベルを変化させるデジタルボリウム回路１０を含む。デジタルボリウム回路１０は、デジタルオーディオ信号Ｓ１に、ボリウムに応じた係数を乗算する乗算器で構成される。

Ｄ／Ａ（Digital to Analog）コンバータ１２は、デジタルボリウム回路１０から出力されるオーディオ信号Ｓ２をアナログのオーディオ信号Ｓ３に変換する。オーディオ信号Ｓ３は、図示しないアンプやフィルタを経て、オーディオ信号処理回路１００ｒの後段のスピーカ４に入力される。

特開２０００−１５１３０９号公報 特開平９−２０５４８２号公報 特開２００７−３２５０５７号公報

オーディオ信号Ｓ１のレベルが小さいときに、デジタルボリウム回路１０によりオーディオ信号Ｓ１のレベルを減衰させると、Ｄ／Ａコンバータ１２の入力レンジのごく一部のみが利用されることになる。したがって図１のオーディオ装置１ｒでは、オーディオ信号Ｓ１の信号レベルが小さい場合に、歪み特性が悪化するという問題が生ずる。

本発明はこうした課題に鑑み似てなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、オーディオ装置の歪み特性の改善にある。

本発明のある態様は、オーディオ信号処理回路に関する。オーディオ信号処理回路は、入力されたデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、Ｄ／Ａコンバータの出力信号を、ユーザにより設定されたボリウム値に応じた利得で増幅するアナログボリウム回路であって、ボリウム値の変更時に、利得を緩やかに変化させるように構成されたアナログボリウム回路と、を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化される。Ｄ／Ａコンバータとアナログボリウム回路はそれぞれ、共通のマスタークロック信号を起源とする互いに整数倍の関係にあるクロック信号にもとづいて動作するように構成される。

この態様によると、Ｄ／Ａコンバータの後段に、いわゆるソフト遷移切りかえ機能を有するアナログボリウム回路を設け、それらを集積化することにより、Ｄ／Ａコンバータの前段にデジタルボリウム回路を設けた場合に比べて、小信号時の歪みを改善することができる。
また、Ｄ／Ａコンバータとアナログボリウム回路を、共通のＩＣ（Integrated Circuit）に内蔵し、共通のマスタークロック信号を起源としたクロック信号と同期して動作させることにより、Ｄ／Ａコンバータとアナログボリウム回路が非同期の状態において生ずるビートノイズを低減することができる。

なお「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。また、「増幅」は利得が１より大きい場合のみでなく、１より小さい場合、すなわち「減衰」も含む。

アナログボリウム回路は、デジタルオーディオ信号のレベルが所定のしきい値より小さいとき、アナログボリウム回路の利得を、最小値に設定してもよい。
これにより、無入力あるいは無信号時のＳ／Ｎ比を大幅に改善することができる。

デジタルオーディオ信号が本オーディオ信号処理回路に入力されてから、アナログボリウム回路に到達するまで、所定の遅延時間が存在してもよい。アナログボリウム回路は、デジタルオーディオ信号のレベルが所定のしきい値より小さい状態から高い状態に移行するとき、アナログボリウム回路の利得を、遅延時間よりも短い遷移時間の間に、最小値から、ユーザが設定したボリウム値に応じた値に遷移させてもよい。
これにより、無入力あるいは無信号状態から、有信号状態に遷移する際に、アナログボリウム回路にオーディオ信号が到達する前に、ボリウム制御を完了でき、オーディオ信号が再生されながら音量が変化するのを防止できる。

アナログボリウム回路は、デジタルオーディオ信号に含まれる周波数成分を検出し、含まれる周波数が高いほど利得の遷移時間を短くしてもよい。
低周波成分が支配的なオーディオ信号に対して、短時間でボリウムを変化させると、可聴ノイズが発生してしまう。反対に高周波成分が支配的なオーディオ信号では、短時間でボリウムを変化させても可聴ノイズは発生しにくい。この態様によれば、オーディオ信号の周波数成分に応じて、ボリウムの遷移時間を最適化できる。

アナログボリウム回路は、デジタルオーディオ信号の振幅が小さいほど、利得の遷移時間を短くしてもよい。
振幅が大きなオーディオ信号に対して、短時間でボリウムを変化させると、可聴ノイズが発生してしまう。反対に振幅が小さなオーディオ信号では、短時間でボリウムを変化させても可聴ノイズは発生しにくい。この態様によれば、オーディオ信号の振幅に応じて、ボリウムの遷移時間を最適化できる。

本発明の別の態様は、オーディオ装置に関する。オーディオ装置は、上述のいずれかの態様のオーディオ信号処理回路を備える。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、オーディオ装置のＳ／Ｎ比を改善できる。

本発明者が検討したオーディオ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係るオーディオ装置の構成を示すブロック図である。 図２のオーディオ信号処理回路のミュート動作を示す波形図である。 図２のオーディオ信号処理回路のミュート状態から有信号状態への復帰を示す波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係るオーディオ装置１の構成を示すブロック図である。
オーディオ装置１は主として、音源２、オーディオ信号処理回路１００、スピーカ４、マイコン６を備える。

音源２からは、デジタルのオーディオ信号Ｓ１が出力される。音源２は、たとえばデジタル出力を有するＣＤプレイヤ、ＤＶＤプレイヤ、シリコンオーディオプレイヤであり、あるいはアナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換するＤＳＰである。

マイコン６は、オーディオ装置１全体を統括的に制御するユニットである。マイコン６は、ユーザにより設定されたボリウムを示すボリウムデータＶＯＬを、オーディオ信号処理回路１００へと出力する。

オーディオ信号処理回路１００の入力端子Ｐ１には、音源２からのオーディオ信号Ｓ１が入力される。オーディオ信号処理回路１００は、信号処理部２０、Ｄ／Ａコンバータ２２、アナログボリウム回路３０、オシレータ４０を備え、ひとつの半導体基板に集積化された機能ＩＣである。

信号処理部２０は、入力端子Ｐ１に入力されたオーディオ信号Ｓ１に対して、イコライジング処理、トーンコントロール、ラウドネスコントロールなど、さまざまな処理を行う。

Ｄ／Ａコンバータ２２は、信号処理部２０から出力されるオーディオ信号Ｓ２をアナログのオーディオ信号Ｓ３に変換する。

アナログボリウム回路３０は、Ｄ／Ａコンバータの出力信号Ｓ４を、ボリウムデータＶＯＬに応じた利得ｇで増幅する。

ソフト遷移切りかえ機能を有するアナログボリウム回路３０は、アナログ増幅器３２および利得制御部３４を含む。アナログ増幅器３２は、Ｄ／Ａコンバータ２２から出力された信号Ｓ３を、利得制御部３４により設定された利得ｇで増幅する。たとえば利得ｇは、０〜１の間をとるように構成され、アナログ増幅器３２は減衰器で構成される。

利得制御部３４は、マイコン６からのボリウムデータＶＯＬを受け、その値に応じた利得ｇをアナログ増幅器３２に設定する。利得制御部３４は、ボリウムデータＶＯＬの値が変更されると、アナログ増幅器３２の利得を、現在の値から、変更後のボリウムに対応する値まで緩やかに変化させる。アナログボリウム回路３０の構成は特に限定されず、公知の技術を利用すればよい。

アナログボリウム回路３０により増幅されたアナログのオーディオ信号Ｓ４は、出力端子Ｐ２から出力され、図示しないアンプやフィルタを経て、オーディオ信号処理回路１００の後段のスピーカ４に入力される。

オシレータ４０は、所定の周波数を有するマスタークロック信号ＭＣＬＫを生成する。Ｄ／Ａコンバータ２２は、マスタークロック信号ＭＣＬＫを第１の分周比で分周し、オーディオ信号Ｓ２のサンプリング周波数を有する変換用クロック信号を生成し、その変換用クロック信号を用いて、オーディオ信号Ｓ２をアナログのオーディオ信号Ｓ３に変換する。

アナログボリウム回路３０の利得制御部３４は、マスタークロック信号ＭＣＬＫを第２の分周比で分周し、遷移用クロック信号を生成する。利得制御部３４は、遷移用クロック信号と同期して、アナログ増幅器３２に設定する利得ｇを、初期値から目標値へと段階的に遷移させる。

このように、Ｄ／Ａコンバータ２２とアナログボリウム回路３０はそれぞれ、共通のマスタークロック信号ＭＣＬＫを起源とする互いに整数倍の関係にあるクロック信号にもとづいて動作するように構成される。

以上がオーディオ信号処理回路１００の基本構成である。
このオーディオ信号処理回路１００によれば、Ｄ／Ａコンバータ２２の後段にアナログボリウム回路３０を設けることにより、Ｄ／Ａコンバータ２２の入力レンジを有効的に利用することができ、オーディオ信号Ｓ１のレベルが小さい場合であっても、ボリウム制御により歪み特性が悪化するのを防止することができる。

当然のことながら、アナログボリウム回路３０は、ソフト遷移切りかえ機能を有しているため、ボリウム値の切りかえに伴うノイズの発生は抑制される。

また、Ｄ／Ａコンバータ２２とアナログボリウム回路３０を、共通のＩＣ（Integrated Circuit）に内蔵し、共通のマスタークロック信号ＭＣＬＫを起源としたクロック信号と同期して動作させることにより、Ｄ／Ａコンバータ２２とアナログボリウム回路３０が非同期の状態において生ずるビートノイズを低減することができる。

続いて、オーディオ信号処理回路１００のさらなる特徴を説明する。

アナログボリウム回路３０の利得制御部３４は、デジタルオーディオ信号Ｓ１のレベルを監視する。利得制御部３４は、オーディオ信号Ｓ１のレベルが所定のしきい値より小さいとき、無音状態あるいは無信号状態と判定し、アナログ増幅器３２の利得ｇを、実質的にゼロである最小値に設定する。これをミュート状態と称する。

反対に利得制御部３４は、デジタルオーディオ信号Ｓ１のレベルが所定のしきい値より小さい状態から高い状態に移行するとき、ミュート状態を解除し、アナログ増幅器３２の利得ｇを、ユーザが設定したボリウムに対応する値に復帰させる。

デジタルオーディオ信号Ｓ１がオーディオ信号処理回路１００に入力されてから、アナログボリウム回路３０に到達するまで、所定の遅延時間τ_Ｄが存在する。遅延時間τ_Ｄは、信号処理部２０に内蔵されるＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタの遅延時間であってもよい。あるいは信号処理部２０は、意図的に遅延を生成するバッファを含んでもよい。

利得制御部３４は、入力端子Ｐ１からアナログボリウム回路３０への遅延時間τ_Ｄよりも短い遷移時間τ_Ｔの間に、アナログ増幅器３２の利得ｇを、最小値から、ボリウムデータＶＯＬに応じた値に遷移させる。

図３は、図２のオーディオ信号処理回路１００のミュート動作を示す波形図である。なお波形図の縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。

時刻ｔ０〜ｔ１の間、オーディオ信号Ｓ１はある程度の振幅を有している。時刻ｔ１に、オーディオ信号Ｓ１の振幅（信号レベル）が、しきい値ＴＨより小さくなる。
利得制御部３４は、時刻ｔ１に直ちに無信号状態を検出すると、それから遅延時間τ_Ｄ経過後の時刻ｔ２に、利得制御部３４の利得ｇを、それまでのボリウムデータＶＯＬに応じた値ｇ_１から、最小値０に向けて緩やかに段階的に低下させていく。

時刻ｔ２以降、オーディオ信号Ｓ３は、実質的にゼロの利得ｇで増幅されるため、オーディオ信号Ｓ４の信号レベルは非常に小さくなる。このように、無信号、あるいは無入力状態において、アナログ増幅器３２の利得を実質的にゼロとすることにより、無入力あるいは無信号時のＳ／Ｎ比を大幅に改善することができる。

図４は、図２のオーディオ信号処理回路１００のミュート状態から有信号状態への復帰を示す波形図である。時刻ｔ０〜ｔ１の間、オーディオ信号Ｓ１のレベルはしきい値ＴＨより小さい。時刻ｔ１に、オーディオ信号Ｓ１のレベルがしきい値ＴＨより大きくなると、利得制御部３４は直ちに有信号状態と判定する。そして、アナログ増幅器３２の利得ｇを、実質的にゼロの値からボリウムデータＶＯＬに応じた値ｇ１に向けて、段階的に上昇させる。利得ｇが、０からｇ_１に復帰するまでの遷移時間τ_Ｔは、入力端子Ｐ１からアナログ増幅器３２への遅延時間τ_Ｄよりも短く設定される。

もし遷移時間τ_Ｔが、遅延時間τ_Ｄよりも長い場合、オーディオ信号Ｓ３が再生された状態で音量が変化することとなり不自然である。これに対してオーディオ信号処理回路１００によれば、無入力あるいは無信号状態から、有信号状態に遷移する際に、アナログボリウム回路３０にオーディオ信号Ｓ３が到達する前に、ボリウム制御を完了でき、オーディオ信号が再生された状態で、音量が変化するのを防止できる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、変形例を示す。

ボリウムの遷移時間τ_Ｔは短ければ短いほど好ましいが、低周波成分が支配的なオーディオ信号Ｓ１に対して、短時間でボリウムを変化させると、可聴ノイズが発生してしまう。反対に高周波成分が支配的なオーディオ信号Ｓ１の場合、短時間でボリウムを変化させても可聴ノイズは発生しにくい。

そこでアナログボリウム回路３０の利得制御部３４は、デジタルオーディオ信号Ｓ１に含まれる周波数成分を検出し、含まれる周波数が高いほど利得の遷移時間τ_Ｔを短くしてもよい。これにより、オーディオ信号Ｓ１の周波数成分に応じて、ボリウムの遷移時間τ_Ｔを最適化できる。

また、振幅が大きなオーディオ信号に対して、短時間でボリウムを変化させると、可聴ノイズが発生してしまう。反対に振幅が小さなオーディオ信号では、短時間でボリウムを変化させても可聴ノイズは発生しにくい。

そこでアナログボリウム回路３０の利得制御部３４は、デジタルオーディオ信号Ｓ１の振幅が小さいほど、利得ｇの遷移時間τ_Ｔを短くしてもよい。これによりオーディオ信号の振幅に応じて、ボリウムの遷移時間を最適化できる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…オーディオ装置、Ｓ１…オーディオ信号、Ｐ１…入力端子、Ｐ２…出力端子、２…音源、４…スピーカ、６…マイコン、２０…信号処理部、２２…Ｄ／Ａコンバータ、３０…アナログボリウム回路、３２…アナログ増幅器、３４…利得制御部、４０…オシレータ、１００…オーディオ信号処理回路。

Claims (7)

1. マスタークロック信号を第１分周比で分周して変換用クロック信号を生成し、前記変換用クロック信号を利用して入力されたデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、
   前記マスタークロック信号を前記第１分周比と異なる第２分周比で分周して遷移用クロック信号を生成するとともに、前記Ｄ／Ａコンバータの出力信号を、ユーザにより設定されたボリウム値に応じた利得で増幅するアナログボリウム回路であって、ボリウム値の変更時に、前記利得を切りかえ前の初期値から切りかえ後の目標値へと前記遷移用クロック信号と同期して緩やかに変化させるソフト遷移切りかえ機能を有するアナログボリウム回路と、
   を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化され、前記変換用クロック信号と前記遷移用クロック信号の周波数は整数倍の関係にあることを特徴とするオーディオ信号処理回路。
2. 前記アナログボリウム回路は、前記デジタルオーディオ信号のレベルが所定のしきい値より小さいとき、前記アナログボリウム回路の利得を、最小値に設定することを特徴とする請求項１に記載のオーディオ信号処理回路。
3. 前記デジタルオーディオ信号が本オーディオ信号処理回路に入力されてから、前記アナログボリウム回路に到達するまで、所定の遅延時間が存在し、
   前記アナログボリウム回路は、前記デジタルオーディオ信号のレベルが所定のしきい値より小さい状態から高い状態に移行するとき、前記アナログボリウム回路の利得を、前記遅延時間よりも短い遷移時間の間に、前記最小値から、ユーザが設定したボリウム値に応じた値に遷移させることを特徴とする請求項２に記載のオーディオ信号処理回路。
4. 前記アナログボリウム回路より前段に設けられ、本オーディオ信号処理回路に入力されるデジタルオーディオ信号を遅延させるバッファをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のオーディオ信号処理回路。
5. 前記アナログボリウム回路は、前記デジタルオーディオ信号に含まれる周波数成分を検出し、含まれる周波数が高いほど前記利得の遷移時間を短くすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のオーディオ信号処理回路。
6. 前記アナログボリウム回路は、前記デジタルオーディオ信号の振幅が小さいほど、前記利得の遷移時間を短くすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のオーディオ信号処理回路。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のオーディオ信号処理回路を備えることを特徴とするオーディオ装置。

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