JP2826678B2 - ディジタル信号の圧伸方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばコンプレッサやリミッタのように信
号を圧縮したり、エキスパンダのように信号を伸張した
りするように圧伸する方法及び装置に関し、特にディジ
タル信号を圧伸するものに関する。

［従来の技術］ 従来、上記のようなディジタル信号圧伸装置、特に圧
縮装置としては例えば第３図に示すようなものがある。
これでは、入力端子２に供給されたディジタル信号は乗
算器４に供給され、乗率ｇと乗算される。この乗率ｇは
（e_th/e_i）^(1-k)とされる。ここで、e_thは予め定めたし
きい値、e_iはディジタル信号の入力レベル、ｋは倍率で
０以上１以下の値である。但し、ディジタル信号の入力
レベルがe_thより小さい期間中には、乗率ｇは（e_th/
e_i）^(1-k)とされる。従って、ディジタル信号の入力レ
ベルがe_thより小さい期間中には、乗率ｇは倍率ｋの値
に拘らず１となり、第４図に符号ａで示すようにディジ
タル入力信号がそのまま乗算器４より出力される。そし
て、ディジタル信号の入力レベルがe_th以上の期間中に
は、乗率ｇは（e_th/e_i）^(1-k)とされ、例えばｋが１で
あると、乗率ｇは１となり、第４図に符号ｂで示すよう
に入力信号がそのまま出力され、ｋが０であると、乗率
ｇは（e_th/e_i）となり、これにe_iが乗算器４によって乗
算されるので、乗算器４からは第４図に符号ｃで示すよ
うにe_thが出力される。またｋを０以上１以下の値とす
ると、符号ｂ、ｃの中間の値、例えば符号ｄ（これはｋ
が1/2の場合）で示すようなディジタル値を乗算器４が
発生する。

ここで、上記のような乗率ｇを発生するために、ディ
ジタル入力信号はディジタル整流回路６で整流され、そ
のレベルe_iが検出される。このレベルe_iは、レベル比較
器８において、しきい値e_thと比較される。レベル比較
器８は、e_iがe_thよりも大きいときにはe_iを出力し、e_i
がe_th以下のときにはe_thをe_iとして出力する。このe_iは
割算器10に供給され、（e_th/e_i）が算出される。この
（e_th/e_i）を（１−ｋ）乗すればよいが、計算が面倒に
なるので、まず対数変換器12によってlog（e_th/e_i）を
求め、これを乗算器14に入力し、この乗算器14に倍率ｋ
を入力しておき、（１−ｋ）log（e_th/e_i）を算出す
る。これを逆対数変換器16に入力し、 ｇ＝exp｛（１−ｋ）log（e_th/e_i）｝ ＝（e_th/e_i）^(1-k) を求め、乗算器４に供給している。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のような圧縮装置では、乗率ｇを求める
のに対数変換や、逆対数変換が必要である。上記の説明
では、便宜上、各対数変換器12や逆対数変換器16を用い
るとして説明したが、実際にはディジタル信号処理装置
を用いて、これらの変換を行なうので、この変換にかな
りの時間を要するという問題点があった。

また第４図から明らかなように、ディジタル入力信号
のレベルe_iがe_thを超えた時点で急峻に入出力特性が変
化するため、ディジタル信号が音楽信号の場合、聴感テ
ストを行なうと、違和感を受けることが多いという問題
点もあった。

本発明は上記の両問題点を解決したディジタル信号圧
伸方法及びその装置を提供することを目的とする。

［発明の原理］ 本発明の発明者は、上記の対数変換や逆対数変換を使
用しないで乗率を求める技術として、まずｇ＝（e_th/
e_i）^(1-k)をマクローリン展開して、近似することを考
えた。しかし、このままマクローリン展開したのでは、
ｇのe_th/e_iでの微分値がe_th/e_i＝０において０となり、
正確な値が得られないことが判明した。そこで、 e_th/e_i＝１−ｘ １−ｋ＝ａ と置くと、 ｇ＝（１−ｘ）^ａ となり、これをマクローリン展開して、２次の項までで
近似すると、 ｆ（ｘ）＝１−ax＋ａ（ａ−１）x²/2 となる。即ち、マクローリン展開は、 ｆ（ｘ）＝ｆ（０）＋xf′（０）/1!＋x²f″（０）/2
!…… であらわされる。ここでｆ（ｘ）＝（１−ｘ）^ａである
ので、ｆ（０）は１となる。またｆ′（ｘ）は ｆ′（ｘ）＝ｄ（１−ｘ）^a/dx＝−ａ（１−ｘ）^a-1 となる。従って、ｆ′（０）は ｆ′（０）＝−ａ（１−０）^a-1＝−ａ となる。またｆ″（ｘ）は ｆ″（ｘ）＝d²（１−ｘ）^a/dx^a＝ａ（ａ−１）（１
−ｘ）^a-2 となる。従って、ｆ″（０）は ｆ″（０）＝ａ（ａ−１） となる。よって、ｆ（ｘ）、即ち乗率ｇは ｆ（ｘ）＝ｆ（０）＋xf′（０）/1!＋x²f″（０）/2
! ＝１−ax＋ａ（ａ−１）x²/2 で表わされる。

従って、−ａとａ（ａ−１）/2とを予め求めて記憶さ
せておき、e_th/e_iに基いてｘを求めると、後は加算と乗
算とによって（e_th/e_i）^(1-k)の近似値を求めることが
できる。

［課題を解決するための手段及び作用］ 本発明は、上述した原理に基くもので、本発明による
圧伸方法は、ディジタル信号e_iに対する予め定めたしき
い値e_thの比率を算出して、e_th/e_iを求める段階と、上
記比率と１との偏差を表わす変数、例えば上記ｘを算出
する段階と、０以上１以下の倍率ｋに基いて第１の係
数、例えば上記−ａと、第２の係数、例えば上記ａ（ａ
−１）/2を予め定め、少なくとも上記変数ｘに第１の係
数−ａを乗算した値と上記変数ｘの自乗値に第２の係数
ａ（ａ−１）/2を乗算した値と１との加算値を算出し、
これに基いて上記乗率を変更する段階とを、具備するも
のである。

本発明による圧伸装置は、ディジタル信号e_iに乗率を
乗算する乗算手段と、ディジタル信号e_iを処理して上記
乗率を変更する乗率変更手段とを、具備し、上記乗率変
更手段が、上記ディジタル信号に対する予め定めたしき
い値e_thの比率e_th/e_iを算出する除算手段と、上記比率
と１との偏差を表わす変数、例えば上記ｘを算出する減
算手段と、０以上１以下に予め定めた倍率ｋに基いて予
め定めた第１の係数、例えば上記−ａと第２の係数、例
えば上記ａ（ａ−１）/2のうち、−ａと上記変数ｘと乗
算した乗算値と、上記変数ｘの自乗値にａ（ａ−１）/2
を乗算した値と１との加算値を少なくとも算出する演算
手段とを、具備するものである。

また本発明の方法及び装置では、−ａとｘとを乗算し
た乗算値と、x²にａ（ａ−１）/2を乗算した値と１との
加算値を算出するのに替えて、−ａと０以上１以下の第
３の係数との乗算値にｘを乗算した乗算値と、ａ（ａ−
１）/2と１以上の第４の係数との乗算値にx²を乗算した
乗算値と、１との加算値とを算出するようにすることも
できる。

この場合、ディジタル信号がしきい値近傍における入
出力特設の急峻な変化を緩和することができる。

［実施例］ 第１図及び第２図に本発明の一実施例を示す。第１図
において、入力端子20に供給されたディジタル入力信号
は、乗算器22に供給されると共に、ディジタル整流回路
24に供給され、その入力レベルe_iが検出される。

この入力レベルe_iは、レベル比較器26に供給され、予
め定めたしきい値レベルe_thと比較される。レベル比較
器26はe_iがe_th以下であると、乗率ｇとして１を乗算器2
2に供給する。従って、このときにはディジタル入力信
号は、そのまま乗算器22から出力される。またレベル比
較器26はe_iがe_thより大きいと、e_iをそのまま割算器28
に供給する。

割算器28にはしきい値レベルe_thも供給され、割算器2
8は、しきい値レベルe_thを入力レベルe_iによって乗算
し、e_th/e_iを算出する。

このe_th/e_iは、演算器30に供給され、（１−e_th/e_i）
の演算がなされる。この演算値ｘは、発明の原理の項で
説明したｘに相当するものである。

この演算値ｘは演算器32に供給される。演算器32には
図示しないメモリより倍率ｋに対応させて読出された係
数α、βも供給され、演算器32は１＋αｘ＋βx²の演算
を行なう。この演算は、基本的には発明の原理の項で述
べた１−ax＋ａ（ａ−１）x²/2の演算に対応するもので
あるが、αは−ａに係数p₁を乗算したものであり、βは
ａ（ａ−１）/2に係数p₂を乗算したものである。

このような係数p₁、p₂を−ａやａ（ａ−１）に乗算し
ているのは次のような理由による。ａ、ａ（ａ−１）だ
けを用いて演算を行なうと、しきい値レベルe_thに対し
て入力レベルe_iが10dB程度大きい近辺では、１−ax＋ａ
（ａ−１）x²/2と（e_th/e_i）^(1-k)の間には良好な近似
が得られたが、これ以上入力レベルe_iが大きくなると、
e_th/e_iの値が０に近づくので、誤差が大きくなり、実用
上問題が生じると考えられる。そこで、−ａやａ（ａ−
１）に係数p₁、p₂を乗算して、誤差を小さくすると共
に、入力レベルe_iがしきい値レベルe_thの近傍にある状
態での入出力特性の緩和を行なっている。特にp₁が、こ
の入出力特性の緩和に有効であり、０以上１以下の値と
するのが望ましく、０に近付けるほど入出力特性が大き
く緩和することができる。また、p₂が上記の誤差に有効
であり、１以上の値とするのが望ましい。

下表に各倍率ｋと、これに対応するａ、p₁、p₂の一例
を示す。なお、これは１語長24ビットの固定小数点方式
のディジタル信号処理装置を割算器28、演算器30、32と
して使用した場合のものである。

このようにして求めらた乗算ｇは、乗算器22に供給さ
れ、入力端子20から供給されたディジタル入力信号と乗
算され、ディジタル入力信号を圧伸する。

第２図は上表に示した各係数を用いた場合の乗算器22
の入出力特性を示したもので、同図から明らかなように
p₁、p₂の係数を用いたことによりしきい値レベルの近傍
においても入出力特性が急峻になることはなく、しきい
値レベルから10dB以上大きな入力レベルにおいても大き
な誤差は生じていない。

上記の実施例では、マクローリン展開を２次の項まで
行なったが、これは最低限度であり、３次以上の項まで
展開してもよい。また、上記の実施例では、説明の便宜
上、レベル比較器26、割算器28、演算器30、32は、個別
の機器によって構成されているものとしたが、実際には
１台のディジタル信号処理装置によってレベル比較器2
6、割算器28、演算器30、32の各機能が実行される。ま
た上記の実施例では、ｇ自体を乗率として使用したが、
乗算器22側に別途乗率Ａを設定し、このＡにｇを乗算し
た値を乗算器22において、ディジタル入力信号と乗算し
てもよい。また上記の実施例は、圧縮の場合について説
明したが、伸張の場合にも本発明を同様に実施できる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、ディジタル入力信号に
対するしきい値レベルの比率を求め、これと第１の係数
の乗算器と、上記比率の乗算値と第２の係数の乗算値
と、１との加算値を算出するようにしているので、ディ
ジタル入力信号に対するしきい値レベルの比率（１−
ｋ）乗値（但しｋは倍率）を、マクローリン展開によっ
て求められる。従って、必要な演算手段は加減算と乗算
だけであり、従来のものと異なり対数変換や逆対数変換
は不要であるので、非常に短時間で乗率を決定すること
ができる。

また、入力信号のレベルがしきい値以上の場合に圧伸
を行なう場合、第１の係数に０以上１以下の第３の係数
を乗算したものとを、第２の係数に１以上の第４の係数
を乗算したものとを、第１の係数と第２の係数の替わり
に用いているので、入力信号のレベルがしきい値レベル
の近傍にある場合でも、入出力特性に急峻な変化があら
われず、またマクローリン展開による近似式と、ディジ
タル入力信号に対するしきい値レベルの比率（１−ｋ）
乗値との誤差を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるディジタル信号圧伸装置の一実施
例のブロック図、第２図は同実施例の入力特性図、第３
図は従来のディジタル信号圧伸装置のブロック図、第４
図は第３図の装置の入出力特性図である。 22……乗算器、24……ディジタル整流回路、26……レベ
ル比較器、28……割算器、30、32……演算器。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディジタル信号に乗率を乗算して上記ディ
   ジタル信号を圧伸する方法において、 上記ディジタル信号に対する予め定めたしきい値の比率
   を算出する段階と、 上記比率と１との偏差を表わす変数を算出する段階と、 ０以上１以下の倍率に基いて第１及び第２の係数を予め
   定め、少なくとも上記変数に第１の係数を乗算した値と
   上記変数の自乗値に第２の係数を乗算した値と１との加
   算値を算出し、これに基づいて上記乗率を変更する段階
   とを、 具備するディジタル信号の圧伸方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のディジタル信号の圧伸方法
   において、上記圧伸を上記しきい値以上のレベルのディ
   ジタル信号に対して行う場合であって、 上記乗率変更段階が、第１の係数と０以上１以下の第３
   の係数との乗算値に上記変数を乗算した乗算値と、第２
   の係数と１以上の第４の係数との乗算値に上記変数の自
   乗値を乗算した乗算値と、１との加算値を算出し、これ
   に基いて乗率を変更することを特徴とするディジタル信
   号の圧伸方法。
3. 【請求項３】ディジタル信号に乗率を乗算する乗算手段
   と、 上記ディジタル信号を処理して上記乗率を変更する乗率
   変更手段とを、 具備し、上記乗率変更手段が、 上記ディジタル信号に対する予め定めたしきい値の比率
   を算出する除算手段と、 上記比率と１との偏差を表わす変数を算出する減算手段
   と、 ０以上１以下に予め定めた倍率に基づいて予め定めた第
   １及び第２の係数のうち、第１の係数を上記変数と乗算
   した乗算値と、上記変数の自乗値に第２の係数を乗算し
   た値と、１との加算値を少なくとも算出する演算手段と
   を、 具備するディジタル信号圧伸装置。
4. 【請求項４】請求項３記載のディジタル圧伸装置におい
   て、上記乗算手段による乗算を、上記しきい値以上の上
   記ディジタル信号に行う場合であって、上記演算手段
   が、第１の係数と０以上１以下の第３の係数との乗算値
   に上記変数を乗算した乗算値と、第２の係数と１以上の
   第４の係数との乗算値に上記変数の自乗値を乗算した乗
   算値と、１との加算値を算出するディジタル信号圧伸装
   置。