JP3334419B2 - ノイズ低減方法及びノイズ低減装置 - Google Patents

ノイズ低減方法及びノイズ低減装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディジタルオーディオ
信号等の入力しんごうの量子化時に発生する量子化誤差
あるいはノイズを低減するためのノイズ低減方法及びノ
イズ低減装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、ディジタル形態のオーディオ信号
を取り扱うディジタルオーディオ機器には、例えばいわ
ゆるコンパクトディスク(CD)の再生機や、いわゆる
ディジタルオーディオテープレコーダ(DAT)等が存
在している。これらのディジタルオーディオ装置におい
て、種々の統一規格が規定されており、例えば、これら
の機器で取り扱われるディジタルオーディオ信号のビッ
ト長は、上記統一規格により16ビットに規定されてい
る。また、これらのディジタルオーディオ機器における
ディジタルオーディオ信号としては、アナログオーディ
オ信号(音の波形信号)を、リニアパルスコーディング
であるいわゆるPCM等の単純な線形量子化により符号
化して得られたディジタルオーディオ信号を用いてい
る。
【0003】ところで、近年、上述したようなディジタ
ルオーディオ機器においては、上記統一規格から現実に
得られる再生音よりも、聴感上より品質の高い再生音が
得られることが望まれている。このような聴感上より良
い再生音を得るためには、例えば、これらのディジタル
オーディオ機器で扱われるディジタルオーディオ信号に
含まれているノイズ成分を低減しておくことが有効であ
ると考えられる。このように、ノイズ成分が低減された
オーディオ信号から得られる再生音は、ノイズの少ない
聴感上より優れたものとなる。
【0004】このディジタルオーディオ信号のノイズ成
分低減処理としては、例えば、オーディオ信号の量子化
の際に行われるいわゆるエラーフィードバックによる量
子化誤差低減処理が知られている。これは、量子化器に
よりオーディオ信号を量子化する際に発生する量子化誤
差(量子化ノイズ、量子化歪み)を、ノイズフィルタを
介して該量子化器の入力側に帰還するものである。
【0005】このようなエラーフィードバックを用いた
ノイズ低減装置については、本件出願人が先に提案した
特開平4−72906号公報、特開平4−72908号
公報、特開平4−72909号公報等に開示されてい
る。これらの技術は、上記エラーフィードバックにより
量子化ノイズの周波数分布を変化させるようないわゆる
ノイズシェーピングを行うものであり、人間の可聴範囲
やマスキングを考慮した許容ノイズスペクトルに対応さ
せてノイズ分布を変化させ、人間の聴感上でノイズ低減
を図るものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ここで、上述したPC
M符号化のような線形量子化での量子化ノイズはオーデ
ィオ信号の全周波数帯域に亘ってフラットな周波数特性
を有するものとなっている。しかしながら、人間の耳
は、音の周波数に応じて異なる聴覚の感度を有してお
り、エラーフィードバックによる量子化誤差低減処理
は、聴感上で必ずしも効果的とはいえない。また、入力
信号のレベルによっては、量子化ノイズが聴感上問題と
なることがある。すなわち、ノイズシェーピング前の音
と比べるとノイズが低減されているものの、聴感上の周
波数バランスが少し変わったように聞こえる場合があ
る。
【0007】そこで、本件出願人は、先に特開平6−4
6489号公報において、入力信号のレベルに応じて発
生されたディザ信号を該入力信号に加算することにより
聴感上のノイズをさらに低減するような技術を提案して
いる。
【0008】このような入力信号へのディザの注入によ
って、さらにノイズ低減が図れるわけであるが、人間の
聴覚感度が高い領域である例えば500Hz〜4kHzのノ
イズは若干増える傾向があり、聴感上の周波数バランス
は改善されるが、やや荒っぽい音になる場合がある。
【0009】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、聴感上の観点で量子化誤差(量子化ノイ
ズ)の低減が効果的に行え、ノイズシェーピングをかけ
る前の入力信号の音質に近い音質を得ることができるよ
うなノイズ低減方法、ノイズ低減装置及び記録媒体を提
供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係るノイズ低減
方法は、量子化器で発生した量子化誤差をノイズフィル
タを介して上記量子化器の入力側に帰還するようにした
ノイズ低減方法において、周波数特性がフラットなデイ
ザ信号のエネルギー分布を人間の聴覚感度の低い低域に
集中させるためにフィルタリング処理をする工程と、上
記フィルタリング処理によって人間の聴覚感度の低い低
域側にエネルギー分布が集中したデイザ信号を上記ノイ
ズフィルタを介して上記量子化器の入力側に帰還された
量子化誤差と入力信号とに加算する工程とから成ること
により上記課題を解決する。
【0011】本発明に係るノイズ低減装置は、入力信号
を量子化する量子化手段と、上記量子化手段の出力信号
から該量子化手段への入力信号を減算する減算手段と、
上記減算手段からの出力が供給されるノイズフィルタ手
段と、周波数特性がフラットなデイザ信号を発生するデ
イザ発生手段と、上記デイザ発生手段にて発生した周波
数特性がフラットなデイザ信号のエネルギー分布を人間
の聴覚感度の低い低域に集中させるためのフィルタ手段
と、上記フィルタ手段によって人間の聴覚感度の低い低
域側にエネルギー分布が集中したデイザ信号と上記ノイ
ズフィルタ手段の出力信号と上記入力信号とを加算する
加算手段とから成ることにより上記課題を解決する。
【0012】本発明に係るノイズ低減装置は、入力信号
を量子化する量子化手段と、上記量子化手段の出力信号
から該量子化手段への入力信号を減算する減算手段と、
上記減算手段からの出力が供給されるノイズフィルタ手
段と、上記入力信号のレベルを検出するレベル検出手段
と、上記レベル検出手段にて検出したレベルに応じて周
波数特性がフラットなデイザ信号のレベルを可変するデ
イザ発生手段と、上記デイザ発生手段にて発生した周波
数特性がフラットなデイザ信号のエネルギー分布を人間
の聴覚感度の低い低域に集中させるためのフィルタ手段
と、上記フィルタ手段によって人間の聴覚感度の低い低
域側にエネルギー分布が集中したデイザ信号と上記ノイ
ズフィルタ手段の出力信号と上記入力信号とを加算する
加算手段とから成ることにより上記課題を解決する。
【0013】上記ノイズ低減装置は、上記ノイズフィル
タ手段にフィルタ係数を送るフィルタ係数計算手段と、
等ラウドネス曲線に関連するデータを上記フィルタ係数
計算手段に送る等ラウドネス曲線発生手段とを更に備え
たことにより上記課題を解決する。
【0014】本発明に係るノイズ低減装置は、入力信号
を量子化する量子化手段と、上記量子化手段の出力信号
から該量子化手段への入力信号を減算する減算手段と、
上記減算手段からの出力が供給されるノイズフィルタ手
段と、上記入力信号のレベルを検出する第1のレベル検
出手段と、上記第1のレベル検出手段にて検出したレベ
ルに応じて周波数特性がフラットなデイザ信号のレベル
を可変するデイザ発生手段と、上記デイザ発生手段にて
発生した周波数特性がフラットなデイザ信号のエネルギ
ー分布を人間の聴覚感度の低い低域に集中させるための
フィルタ手段と、上記入力信号のレベルを検出する第2
のレベル検出手段と、上記ノイズフィルタ手段にフィル
タ係数を送るフィルタ係数計算手段と、等ラウドネス曲
線に関連するデータを上記フィルタ係数計算手段に送る
等ラウドネス曲線発生手段と、上記入力信号の周波数分
析を行う周波数分析手段と、上記第2のレベル検出手段
にて検出した入力信号のレベルに応じて、上記周波数分
析手段からの出力情報と上記等ラウドネス曲線発生手段
からの出力情報との帯域毎の合成比を可変する可変手段
と、上記可変手段にて可変された合成比に基づいて決定
されたフィルタ係数を上記ノイズフィルタ手段に送るフ
ィルタ係数計算手段と、上記フィルタ手段によって人間
の聴覚感度の低い低域側にエネルギー分布が集中したデ
イザ信号と上記ノイズフィルタ手段の出力信号と上記入
力信号とを加算する加算手段とから成ることにより上記
課題を解決する。
【0015】
【作用】入力信号は先ずディザ信号が加算されて調整さ
れ、次に量子化手段で発生された量子化誤差がフィルタ
を介して量子化手段の入力側に帰還される。ディザ信号
として、低域側にエネルギが集中された信号を用いるこ
とで、人間の聴覚感度が高い領域のSN比を劣化させず
にノイズ低減が行える。
【0016】
【実施例】本発明に係る好ましい実施例について、図面
を参照しながら説明する。
【0017】図1は、本発明に係るノイズ低減装置の第
1の実施例の概略的な構成を示すブロック図である。
【0018】この図1に示すノイズ(量子化誤差)低減
装置の実施例において、量子化器11で発生された量子
化誤差がノイズフィルタ13を介して該量子化器11の
入力側に帰還されている。ノイズフィルタ13のフィル
タ係数は、人間の聴感特性に応じたいわゆる等ラウドネ
ス曲線に関連する情報に基づいて設定されている。
【0019】ここで、任意のサンプリング周波数でサン
プリングされて得られたディジタルオーディオ信号が図
1の入力端子1に送られている。このディジタルオーデ
ィオ入力信号は、加算器10に送られて、ディザ信号出
力部20からの低域にエネルギが集中したディザ信号と
加算され、量子化器11で再量子化され、出力端子2か
ら出力される。なおディザ信号とは、ランダムあるいは
疑似ランダムな信号のことであり、ランダムノイズある
いはノイズとも称される。
【0020】この図1のノイズ低減装置は、このような
ディザ信号出力部20と、量子化器11の出力から量子
化器11への入力を減算することで当該量子化器11で
の量子化の際に発生する量子化誤差を得る減算器12
と、後述するフィルタ係数でフィルタ特性が設定され、
減算器12からの出力に対してフィルタリング処理を施
して出力するノイズフィルタ13と、ノイズフィルタ1
3からの出力を量子化器11の入力に加算する加算器1
0とから成り、いわゆるエラーフィードバック回路を構
成している。このエラーフィードバック回路により量子
化誤差低減処理であるノイズシェーピング処理が行われ
る。
【0021】この実施例のディザ信号出力部20は、デ
ィザ発生回路21及びフィルタ22により構成されてい
る。ディザ発生回路21からは例えば周波数特性がフラ
ットなディザ信号が発生される。フィルタ22は、ディ
ザ信号のエネルギを低域に集中させるための低域増強あ
るいは高域減衰の周波数特性を有する。
【0022】このようなディザ信号出力部20から出力
されるディザ信号の周波数特性の一具体例を図2に示
す。この図2の例において、200Hz以下の低域ではデ
ィザあるいはノイズのエネルギーが大きく、例えば−1
40dB以上のレベルを有しているのに対して、200
Hz以上の中高域ではノイズのエネルギが著しく減少して
いる。なお、図2では−160dB以下を省略している
が、高域側のノイズはこれよりも低いレベルとなってい
る。
【0023】ディザ信号出力部20からの低域にエネル
ギを集中させたノイズあるいは低域集中ディザ信号を加
算器10に送って入力信号に加算することで、聴感上の
ノイズを増加させることなしにノイズフロアを滑らかに
して音質をさらに改善することができる。なお、ノイズ
フロアとは、ノイズのスペクトル曲線の細かい凹凸のこ
とであり、ノイズフロアを滑らかにするとは、ノイズス
ペクトルを平滑化することである。
【0024】ここで、図1の構成は、本発明に係るノイ
ズ低減方法が適用されたノイズ低減装置でもある。すな
わち、ディザ信号出力部20より低域側にエネルギの集
中したディザ信号すなわち低域集中ディザ信号を出力し
ており、この低域集中ディザ信号を加算器10により入
力信号と加算して量子化器11に送り、量子化器11で
発生した量子化誤差を減算器12により取り出してノイ
ズフィルタ13を介して上記量子化器11の入力側に帰
還している。
【0025】この図1に示す第1の実施例の構成を用い
る場合に出力端子2から得られる出力信号の一具体例を
図3に示している。この図3の例では、入力信号として
1kHzの純音を用いている。この図3からも明らかなよ
うに、200Hz以下の領域ではノイズが増えているもの
の、人間の聴覚感度が高い500Hz〜4kHzの領域のノ
イズが低く、しかもノイズフロアも滑らかなため、音の
明瞭度あるいはクリアさも、聴感上の周波数バランス
も、ノイズシェーピング前の音に非常に近くなってい
る。
【0026】このように、図1の出力端子2から得られ
る出力信号を、光ディスク、光磁気ディスク、磁気ディ
スク、磁気テープ等の記録媒体に記録し、市場に供給す
ることにより、従来のフォーマット、例えば1サンプル
が16ビットのフォーマットを遵守しながら、上位の例
えば20ビット相当の音質を実現できる。
【0027】図4は人間の聴感上の等ラウドネス曲線を
示している。この等ラウドネス曲線は、例えば1kHzの
純音の音圧と同じ大きさ(ラウドネス)に聞こえる各周
波数毎の音圧の曲線断片を接続することにより得られて
おり、これはラウドネス(音の大きさ)の等感度曲線と
も称されている。
【0028】この図4から明らかなように、低域の例え
ば約200Hzから超低域に向けて人間の聴覚感度が緩や
かに低下しており、また約500Hz〜4kHzの領域での
聴覚感度が高いことがわかる。
【0029】また、エラーフィードバックのためのノイ
ズフィルタ13としては、上記等ラウドネス曲線や、い
わゆるマスキング効果を考慮して、例えば、図5に示す
曲線MRにより指定される周波数特性のものを用いてい
る。
【0030】ここで、上記図1に示す実施例の構成の前
提となる基本構成及びその動作について、図面を参照し
ながら説明する。
【0031】図6は、本件出願人が先に特開平4−72
906号公報や、特開平4−72908号公報や、特開
平4−72909号公報等において提案したエラーフィ
ードバックによりノイズシェーピング処理を行ってノイ
ズを低減するノイズ低減装置の基本構成を示している。
【0032】この図6において、入力端子1に供給され
たディジタルのオーディオ入力信号は、加算器10を介
して量子化器11に送られ、再量子化されて出力端子2
より取り出される。量子化器11で発生した量子化誤差
は、減算器12より取り出され、エラーフィードバック
のためのノイズフィルタ13を介して加算器10に送ら
れ、入力信号と加算される。
【0033】この図6の構成のノイズフィルタ13とし
ては、例えば上記図5に示すような周波数特性のフィル
タが用いられる。
【0034】この図6の構成のノイズ低減装置の出力端
子2より得られる出力信号は、例えば図7に示すよう
に、人間の聴覚感度が高い500Hz〜4kHzの領域内の
ノイズは低いものの、ノイズフロアが滑らかでないた
め、ノイズシェーピング前の音と比べると、クリアなあ
るいは明瞭度の高い音であるものの聴感上の周波数バラ
ンスが少し変わったように聞こえる場合がある。
【0035】ここで、ノイズシェーピングを、周波数に
よって量子化レベルが変化する量子化器とみなすと、入
力信号に予めディザを加算してからノイズシェーピング
をかければ、ノイズフロアは上昇するものの平滑化され
ることが期待できる。
【0036】そこで、本件出願人は、先に特開平6−4
6489号公報等において、図8に示すような構成のノ
イズ低減装置を提案している。
【0037】この図8のノイズ低減装置は、上記図6の
構成に、ディザ発生回路21を付加し、このディザ発生
回路21からのディザ信号を加算器10に送って入力信
号と加算して量子化器11に送るようにしている。
【0038】この図8の構成のディザ発生回路21から
は、例えば図9に示すような周波数特性がフラットなデ
ィザ信号が出力され、ノイズ低減装置の出力端子2から
取り出される出力信号は、例えば図10に示すように、
ノイズフロアの滑らかなものとなる。このように、ディ
ザをノイズシェーピング回路の入力データに加算してい
るのでノイズフロアを滑らかにすることができるが、人
間の聴覚感度が高い500Hz〜4kHzの領域のノイズ
が、上記図6の構成による出力信号(図7)に比べて若
干増えており、聴感上の周波数バランスは改善されるも
のの、やや荒っぽい音になる場合がある。
【0039】従って、人間の聴覚感度が高い500Hz〜
4kHzの領域のノイズを増やさないでノイズフロアを滑
らかにすることができれば、両者の特徴を合わせ持つノ
イズ低減装置が実現できる。
【0040】ここで、ノイズフロアを滑らかにすること
は、何らかのランダムノイズあるいはディザを加算する
ことで実現できるが、上述したようなノイズ低減装置で
は、人間の聴覚感度特性が高音域で著しく低下すること
に着目して、ノイズシェーピングによって中低域の分解
能を改善する代わりに高域の量子化ノイズの増加を許す
ことで、元のビット数より少ないビット数で同等の音質
での再生を可能としていることから、一般的に有効とさ
れる高域にエネルギを集中させたノイズあるいは高域集
中ディザを加算したのでは、さらに高域のノイズが増加
するので好ましくない。
【0041】このようなことを考慮し、本件発明者は、
上記図4のラウドネス曲線が低音域でより低域側に向か
って聴覚感度が低下している点に着目し、上記図1と共
に説明したように、低域にエネルギを集中させた低域集
中ディザを入力信号に加算することで、聴感上のノイズ
を増加させることなしにノイズフロアを滑らかにして、
音質のさらなる改善を図ったものである。
【0042】ここで、図1の実施例に用いられる低域集
中ディザの一例としての図2に示すディザ信号によれ
ば、図9に示した周波数特性がフラットなディザ信号と
比較して、200Hz以下の低域ではノイズのエネルギが
大きく、200Hz以上の中高域ではノイズのエネルギが
著しく減少している。
【0043】従って、この図2に示すような特性の低域
集中ディザを入力側に注入することにより、上記図3に
示したように、人間の聴覚感度が高い領域(500Hz〜
4kHz)のノイズを低く抑えながらノイズスペクトルを
平滑化して、音の明瞭度と聴感上のバランスとを改善
し、ノイズシェーピングをかける前の入力信号の音質に
極めて近い音質を実現することができる。
【0044】なお、この低域集中ディザは、図2の例に
限定されず、一般に、低域でノイズのエネルギが大き
く、中高域でノイズのエネルギが著しく減少しているよ
うなパワースペクトルのディザ信号を用いることができ
る。
【0045】次に、図11は、本発明に係る第2の実施
例を示している。
【0046】この図11において、ディザ信号出力部2
0は、上記ディザ発生回路21、フィルタ22の他に、
入力端子1の入力信号のレベルを検出するレベル検出回
路23を有している。このレベル検出回路23からの出
力信号により、ディザ発生回路21が制御される。ま
た、ノイズフィルタ13には、フィルタ係数計算回路1
4により計算されたフィルタ係数が送られる。このフィ
ルタ係数計算回路14には、等ラウドネス曲線発生回路
15からの等ラウドネス曲線に関連した情報が送られて
いる。他の構成は、上記図1と同様であるため、対応す
る部分に同じ指示符号を付して説明を省略する。
【0047】図11に示す第2の実施例において、ディ
ザ発生回路21から発生されるディザ信号のレベルや特
性は、処理すべき入力信号のクラスの特性により決定さ
れる。典型的なディザのスペクトルは、理論的に最適の
無相関を形成するいわゆるホワイトディザ(全周波数で
等しい)と、信号スペクトルの可聴外の領域に集中され
たエネルギを有することにより聴感上のノイズをより低
減したいわゆる高周波数ディザと、入力信号が既に充分
にランダムでさらに無相関化する必要がないときに適す
るオールゼロディザとを含んでいる。
【0048】レベル検出器23は、ディザ発生回路21
により発生されたディザのタイプ、又は該ディザのレベ
ル、あるいは双方を制御するために用いられる。例え
ば、オールゼロより成る入力信号にディザを加算するこ
とは不適当であり、従ってこの条件がレベル検出器23
により検出され、ディザ発生回路21が適切に制御され
る。さらに、低レベル入力信号は高レベル信号に比べて
より大きなディザを必要とすることが多く、従ってディ
ザのレベルは信号レベルが増大するに応じて徐々に減少
する。
【0049】このような第2の実施例によれば、入力信
号のレベルに応じて発生されたディザ信号を上記入力信
号に加算することにより、量子化ノイズが聴感上問題と
なるような入力信号のときに、ノイズが聞こえ難くな
り、量子化ノイズが聴感上で問題とならなくなる。
【0050】ここで、この第2の実施例のノイズ低減装
置あるいは量子化誤差低減装置は、人間の聴覚特性に対
応する図4に示すような等ラウドネス曲線のデータを発
生する等ラウドネス曲線発生回路15と、この等ラウド
ネス曲線発生回路15からの出力に基づいてノイズフィ
ルタ13のフィルタ係数を計算するフィルタ係数計算回
路14とを有している。
【0051】等ラウドネス曲線又はその近似曲線に関連
した情報、すなわち許容可能ノイズスペクトルの情報が
等ラウドネス曲線発生回路15から出力され、フィルタ
係数計算回路14に送られる。従って、フィルタ係数計
算回路14では、この等ラウドネス曲線に関連した情報
に基づいてフィルタ係数が計算される。計算されたフィ
ルタ係数は、さらにノイズフィルタ13に送られる。こ
のようにして、等ラウドネス曲線に関連した情報に基づ
いたフィルタ係数を有するノイズフィルタ13を用いる
エラーフィードバック回路によりオーディオ信号のノイ
ズシェーピングを施すことにより、聴感上のダイナミッ
クレンジを改善することができる。すなわち、等ラウド
ネス曲線を考慮して得られる許容可能ノイズスペクトル
を用いたノイズシェーピングを実行することにより、聴
感上より効果的なノイズシェーピングが導かれ、これに
より再生音の聴感上のダイナミックレンジを改善するこ
とを可能としている。
【0052】さらに、この第2の実施例において、ノイ
ズフィルタ13のフィルタ特性を決定する際に、いわゆ
るマスキング効果が考慮される。ここでマスキング効果
とは、人間の聴感上の特性により、ある信号が他の信号
によってマスクされて聞こえなくなるような現象であ
る。このマスキング効果には、時間軸上の信号に関する
マスキング効果、いわゆるテンポラルマスキングと、周
波数軸上の信号に関するマスキング効果、いわゆる同時
刻マスキングとがある。もしマスキングを受ける部分に
ノイズが存在しても、そのノイズはマスキング効果によ
り聞こえない。これによって、マスキング効果を考慮し
た量子化誤差低減処理による手法が実行されると、聴感
上のダイナミックレンジが改善される。マスキング効果
を考慮したようなフィルタ特性を決定するためには、本
実施例のフィルタ係数計算回路14において例えば周波
数軸上のマスキング効果を考慮したフィルタ係数を予め
設定しておく。例えば、多くの中間及び低域成分を含む
通常のオーディオ音声に対処するため、低域でのマスキ
ング効果を考慮した固定のフィルタ係数が設定される。
あるいは入力オーディオ信号のスペクトルに対応するマ
スキング効果に対処する能力を得るため、スペクトルに
応じた適応的なフィルタ係数を発生するような手法が使
用される。
【0053】このようにして、フィルタ係数計算回路1
4からのフィルタ係数が等ラウドネス曲線及びマスキン
グ効果を考慮に入れた状態で得られる。従って、ノイズ
フィルタ13のフィルタ特性は、マスキング効果が考慮
された固定的あるいは適応的なフィルタ係数と、さらに
等ラウドネス曲線に関連したフィルタ係数に基づいて設
定される。
【0054】すなわち、このときのノイズフィルタ13
は、マスキング効果及び等ラウドネス曲線から得られる
例えば図5に示されるような曲線MRにより指示された
フィルタ特性を有するフィルタとして作用する。図5の
曲線MRにより指示されるフィルタ特性をノイズフィル
タ13に持たせることにより、ノイズフィルタ13に送
られる量子化誤差スペクトルは曲線MRに応じて変化す
る。ノイズフィルタ13からの出力を入力オーディオ信
号に加算することにより、量子化器11での量子化誤差
は(ノイズシェーピングに基づいて)低減される。ここ
で、図5の曲線MRにおいて、上記等ラウドネス曲線が
考慮されるとき、4kHzより低い周波数帯域でのレスポ
ンスを増大させることが考えられるが、すなわち許容ノ
イズを増加させることもできるが、4kHzより低い周波
数帯域でのフィルタ特性は後述する第3の実施例のよう
に平坦(フラット)なものとしている。このような機構
が働く理由を次に述べる。
【0055】上記等ラウドネス曲線の4kHz以下は、帯
域幅が広くないにもかかわらず変化が急であるため、こ
の4kHz以下の等ラウドネス曲線に合わせたノイズフィ
ルタ13を作成するとフィルタの次元が高くなってしま
うためである。このようにフィルタの次元を高めると構
成が複雑化して大規模化するようになる。しかし、この
とき、該フィルタの規模に見合った効果が得られないた
め、以下に記載する第3の実施例では上述したように4
kHz以下のフィルタ特性をフラットなものとしている。
【0056】すなわち、図12は本発明の第3の実施例
を示し、図1、図11の各部と対応するブロックには同
じ指示符号を付して説明を省略する。この図12におい
て、上記図11の第2の実施例の構成に加えて、低周波
数帯域補正制御信号発生回路16がさらに設けられてお
り、この回路で発生された低周波数帯域補正信号がフィ
ルタ係数計算回路14に送られる。従って、上記図5の
曲線MRに示されるように低周波数帯域で平坦(フラッ
ト)なフィルタ特性が実現される。さらに、この低周波
数帯域補正信号はマスキング効果を考慮に入れて形成さ
れたようなものである。一般に、中、高周波数帯域が通
常のオーディオサウンドにおいて多く使用され、オーデ
ィオサウンドの中、高周波数帯域での上述したマスキン
グ効果は有効である。従って、この実施例のノイズフィ
ルタ13において、図5のフィルタ係数の曲線MRの応
答(レスポンス)は、上記等ラウドネス曲線の応答が低
下する程度にまで低下はされず、曲線MRは等ラウドネ
ス曲線に比べてより緩やかにされている。すなわち、こ
れを実現するために、上述したように、マスキング効果
が考慮されたフィルタ係数が設定される。
【0057】次に、マスキング効果を利用した第4の実
施例について、図13を参照しながら説明する。この図
13においても、図1、図11の各部と対応するブロッ
クには同じ参照番号を付している。
【0058】図13のノイズ低減装置は、量子化器11
で発生された量子化誤差をノイズフィルタ13を介して
該量子化器11の入力側に帰還するように構成されてい
る。より具体的には、このノイズ低減装置は、入力オー
ディオ信号のレベルを検出するレベル検出器19と、入
力オーディオ信号を臨界帯域(クリティカルバンド)毎
に周波数分析する周波数分析回路17と、人間の聴覚特
性に応じた上記等ラウドネス曲線に基づいた情報を発生
する等ラウドネス曲線発生回路15と、周波数分析回路
17からの出力と等ラウドネス曲線発生回路15からの
出力との合成比をレベル検出器19からの出力に応じて
可変し、得られた合成情報に基づいて許容ノイズスペク
トルを計算する許容ノイズスペクトル計算回路18とを
有している。この量子化ノイズ低減装置では、ノイズフ
ィルタ13のフィルタ特性が、上記許容ノイズスペクト
ル計算回路18の出力情報に基づいて設定される。
【0059】すなわち、本実施例のノイズ低減装置にお
いて、量子化器11の出力から量子化器11への入力を
減算することで該量子化器11での量子化の際に発生す
る量子化誤差を得る減算器12と、この減算器12の出
力をフィルタリング処理して出力するノイズフィルタ1
3と、このノイズフィルタ13の出力を上記量子化器1
1の入力側に加算する加算器10とにより、いわゆるエ
ラーフィードバック回路が構成されている。ここで、ノ
イズフィルタ13のフィルタ特性は次のように決定され
ている。実際には、フィルタ係数計算回路14によっ
て、許容ノイズスペクトル計算回路18の後述する許容
ノイズスペクトルの情報に基づいたフィルタ係数を計算
し、このフィルタ係数情報をノイズフィルタ13に送る
ようにしている。
【0060】従って、上述したエラーフィードバック回
路においては、後述する許容ノイズスペクトルに基づい
た量子化誤差低減処理、いわゆるノイズシェーピング処
理が実行される。このように処理された信号が出力端子
2から出力される。
【0061】ところで、上述したエラーフィードバック
回路によってオーディオ信号の量子化誤差低減のための
ノイズシェーピング処理を行う際には、入力信号スペク
トルのいわゆるマスキングを考慮した処理を行うこと
で、聴感上のダイナミックレンジを拡大することができ
る。このマスキング効果を考慮した処理を行うことで、
例えば、信号スペクトルのパターンがある程度固定化し
た入力オーディオ信号のスペクトルに応じたノイズシェ
ーピング、すなわち入力オーディオ信号スペクトルの後
述するいわゆるマスキング効果を考慮して得られた許容
ノイズスペクトルを用いたノイズシェーピングを挙げる
ことができる。
【0062】あるいは、入力オーディオ信号のスペクト
ルが変化する場合の、当該スペクトルのマスキングを考
慮して得られたスペクトル変化に適応的な許容ノイズス
ペクトルを用いたノイズシェーピング等がある。
【0063】さらに、人間の聴覚特性を利用していわゆ
る臨界帯域幅(クリティカルバンド)に分割し、この臨
界帯域幅での分割し、この臨界帯域毎に周波数分析を行
っている。このときの上記臨界帯域幅での分割として
は、例えば、入力オーディオ信号を例えば高速フーリエ
変換(FFT)で周波数軸上の成分に変換し、次にこの
FFT係数の振幅項Am(m=0〜1024)を、人間
の聴覚特性を考慮した高域ほど帯域幅が広くなる上記臨
界帯域幅で、例えば25バンドのグループGn(nは各
バンドの番号を示し、n=0〜24)に分割、すなわち
バンド分割することができる。
【0064】さらに、これら各臨界帯域毎の周波数分析
については、例えば、次の(1)式により各帯域毎のそ
れぞれの振幅項Amの総和(振幅項Amのピーク、平均
あるいはエネルギ総和)をとることで得られるいわゆる
バークスペクトル(総和のスペクトル)Bnを決定する
ような分析を行うことができる。
【0065】 Bn=10 log10Cn(Pn)2 ・・・(1) ここでnは0〜24であり、Cnは第nバンド(帯域)
内の要素数すなわち振幅項(ポイント数)、Pnは各帯
域のピーク値である。上記周波数分析回路17において
は、上述した臨界帯域幅での分割と各帯域毎の周波数分
析が行われ、その出力情報を上記許容ノイズ計算回路1
8に送られる。
【0066】上記等ラウドネス曲線発生回路15から
は、上記等ラウドネス曲線の情報が発生され、出力され
る。すなわち、等ラウドネス曲線を考慮して得られた許
容ノイズスペクトルを用いたノイズシェーピングを行う
ことで、聴感上より効果的なノイズシェーピングが行え
る。従って、再生音の聴感上のダイナミックレンジが改
善され得る。等ラウドネス曲線、あるいはその近似曲線
の情報が上記等ラウドネス曲線発生回路15から出力さ
れて、上記許容ノイズスペクトル計算回路18に送られ
る。
【0067】従って、上記許容ノイズスペクトル計算回
路18においては、上記等ラウドネス曲線発生回路15
からの出力情報と上記周波数分析回路17からの出力情
報とに基づいて、許容ノイズスペクトルを計算してい
る。このとき、上記周波数分析回路17でのバークスペ
クトルBnから、次の(2)式を用いて帯域間の影響を
考慮してコンボリューションを実行する(所定の重み付
けの関数を畳み込む)ことで、各帯域毎のコンボリュー
ション処理されたバークスペクトルSnが計算される。
【0068】 Sn=Hn*Bn ・・・(2) ここでHnはコンボリューションの係数である。このコ
ンボリューション処理されたバークスペクトルSn及び
必要とされるS/N値であるOn(n=0〜24)を用
い、次の(3)式、(4)式に応じてコンボリューショ
ン処理されたマスキング閾値Tnが計算される。
【0069】 On=N−K×n ・・・(3) Tn=Sn−On ・・・(4) 例えば、Nが38とされるとき、Kは1とすることがで
きる。このとき音質の劣化が少ない結果となる。すなわ
ち、コンボリューション処理されたマスキング閾値Tn
の各レベルで示すレベル以下の強度の音がマスキングさ
れる。その後、次の(5)式を用いて、コンボリューシ
ョン処理されたマスキング閾値Tnをデコンボリューシ
ョン処理することにより、許容ノイズレベル(許容ノイ
ズスペクトル)TFnが計算される。実際には、例えば
上記係数Hnによるコンボリューションの直流(DC)
ゲインDnが減算される。
【0070】 TFn=Tn−Dn ・・・(5) 上記許容ノイズスペクトル計算回路18においては、上
述のようにして得られた上記周波数分析回路からの出力
情報と、先に説明した等ラウドネス曲線発生回路15か
らの出力情報とを合成して得られた合成情報に基づいて
上記許容ノイズスペクトルが求められる。
【0071】ここで、上記等ラウドネス曲線に基づいた
許容ノイズスペクトルでの許容ノイズレベルは、入力オ
ーディオ信号のレベルによってマスキング効果が作用す
る許容ノイズレベル以下のレベルとなることがある。す
なわち、例えば、入力オーディオ信号のレベルが高い場
合には、この入力オーディオ信号による上記マスキング
効果が作用する許容ノイズレベルによって、上記等ラウ
ドネス曲線に基づいた許容ノイズスペクトルのレベルも
同時にマスクされることがある。
【0072】上記観点から、本実施例では、入力オーデ
ィオ信号のレベルを上記レベル検出器19で検出し、こ
のレベル検出出力に基づいて、上記等ラウドネス曲線発
生回路15からの出力情報と、上記周波数分析回路17
からの出力情報との合成比を変化させるようにしてい
る。ここで、上記等ラウドネス曲線発生回路15と上記
周波数分析回路17からの出力情報の合成は、例えば各
周波数帯域毎に行われる。この場合、上記レベル検出器
19でのレベル検出が各バンド毎に行われる。従って、
各バンド毎のレベル検出出力に基づいて各帯域毎に上記
合成比が変化させ得るようになる。すなわち、上記許容
レベルスペクトル計算回路18におけるノイズスペクト
ルを求めるための合成情報については、例えば、入力オ
ーディオ信号の低域のレベルが高くかつ低域でのマスキ
ング効果が大きい場合には、低域が高レベルで高域が低
レベルを有する許容ノイズスペクトルが得られるような
合成比にて合成情報が準備される。逆に、例えば、高域
のレベルが高くかつ高域でのマスキング効果が大きい場
合には、高域が高くかつ低域が低くなるような許容ノイ
ズレベルが得られるような合成比で合成情報が作られ
る。このように得られた許容ノイズスペクトルの情報
が、上記フィルタ係数計算回路14に送られる。そし
て、このフィルタ係数計算回路14から許容ノイズスペ
クトルに応じたフィルタ係数が出力されて、上記ノイズ
フィルタ13に送られる。
【0073】上述のようなことから、このノイズフィル
タ13のフィルタ特性は、入力オーディオ信号のレベル
に応じて、帯域毎に合成比が可変されて得られた許容ノ
イズスペクトルに基づいたフィルタ係数に応じたものと
なる。
【0074】すなわち、この第4の実施例のノイズ低減
装置においては、入力オーディオ信号のレベルが小さい
時は、上記ノイズフィルタ13のフィルタ特性を上記等
ラウドネス曲線のような特性にしてノイズシェーピング
するようにする。また、信号レベルが大きくなるにつれ
て、入力オーディオ信号のレベルによって量子化ノイズ
を目立たなくするために、該ノイズフィルタ13の特性
を当該入力オーディオ信号の信号レベルに合わせてフラ
ットにするようにする。さらに、信号レベルが小さい時
は、ノイズフィルタ13で上記等ラウドネス曲線のよう
な特性を、信号レベルに合わせてフラットに近づけ、信
号特性に合わせたノイズシェーピング特性(マスキング
特性等)に変えていくようにする。すなわち、上記ノイ
ズフィルタ13の特性は、信号レベルが小さい時は上記
等ラウドネス曲線のようなフィルタ特性とし、信号レベ
ルが大きい時はマスキング効果を考慮したフィルタ特性
とされている。
【0075】以上の第2〜第4の実施例に説明したよう
に、ノイズフィルタのフィルタ係数を等ラウドネス曲線
やマスキング効果を考慮して設定することにより、例え
ば等ラウドネス曲線の情報と入力オーディオ信号の周波
数分析情報との合成比が入力オーディオ信号のレベルに
応じて可変されて得られた情報に基づいて設定すること
等により、聴感上のノイズを低減して聴感上のダイナミ
ックレンジを改善することができる。
【0076】さらに、これらの第2〜第4の実施例にお
いても、上述した第1の実施例と同様に、ディザ信号出
力部20のディザ発生回路21からのディザ信号をフィ
ルタ22によりエネルギを低域側に集中させて加算器1
0に送っているため、人間の聴覚感度が高い500Hz〜
4kHzの領域のノイズが低く、ノイズフロアも滑らかな
出力信号を得ることができ、音のクリアさも聴感上の周
波数バランスもノイズシェーピングをかける前の音に非
常に近いような良好な音質を実現できることは勿論であ
る。
【0077】次に、図14に、上述した各実施例の装置
を、例えばいわゆるコンパクトディスク(CD)におけ
るエンコーダ、デコーダのシステムに使用したシステム
構成の具体例を示す。この図14において、入力端子3
1にはアナログオーディオ信号が供給される。このアナ
ログオーディオ信号はA/D変換器32で20ビットデ
ィジタル信号に変換された後、本実施例の量子化誤差低
減装置が内蔵された20ビット対応エンコーダ33に送
られる。このエンコーダ33で量子化誤差低減処理がな
されると共に16ビットのデータにエンコードされたデ
ータは、上記CDに記録される。このCDに記録された
データは、既存のCD再生機の再生回路34及びD/A
変換器35でオーディオ信号に変換されて出力端子36
から出力されて再生される。すなわち、上記CDに記録
されたデータは、本実施例の量子化誤差低減装置によっ
て量子化誤差が低減されているものであるため、このC
Dを再生して得られる音は、聴感上のダイナミックレン
ジの高いものとなる。
【0078】また、図15に上記CDと異なり例えば1
0ビットでデータを記録するメディア、すなわち記録媒
体を介したシステム構成の具体例を示す。この場合、入
力端子に入力供給されたアナログ信号は、A/D変換器
42で例えば16ビットのディジタルデータとされた信
号が本実施例の量子化誤差低減装置が内蔵された10ビ
ット対応エンコーダ43に送られる。このエンコーダ4
3で量子化誤差低減処理がなされると共に10ビットの
データにエンコードされたデータは、上記メディアに記
録される。このメディアに記録されたデータは、既存の
再生機の再生回路44及びD/A変換器45でアナログ
信号に変換されて出力端子46から出力される。この場
合も同様に、得られる再生信号の聴感上のダイナミック
レンジが高くなる。
【0079】図16には、オーバーサンプリングを行う
D/A変換のシステムで本実施例装置を使用する具体例
を示す。この場合、入力端子51に入力供給されたアナ
ログ信号は、オーバーサンプリングを行うD/A変換器
52で例えば20ビットのディジタルデータとされ、伝
送路を介して本実施例の量子化誤差低減装置53に送ら
れる。該量子化誤差低減装置53で量子化誤差低減処理
がなされ、D/A変換器54を介してアナログ信号に変
換されて出力端子55から出力される。これにより、オ
ーバーサンプリングが行え、D/A変換の分解能を落と
すことができ、その分直線性を上げる方向で上記D/A
変換器54を作成し易くなる。
【0080】このように、本発明に係るノイズ低減装置
を、例えば既存の統一規格のディジタルオーディオ機器
に適用することにより、該統一規格から実際に得られる
ダイナミックレンジよりも聴感上で拡大されたダイナミ
ックレンジの再生音を得ることができるようになる。す
なわち、統一規格に何ら変更を加えることなく、該統一
規格を維持したままで、従来と同じ再生装置を用いて、
再生オーディオ信号の聴感上のダイナミックレンジを向
上することができる。しかも、音のクリアさも聴感上の
周波数バランスもノイズシェーピングをかける前の音に
非常に近いような良好な音質を実現できる。
【0081】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
るものではなく、例えば入力されるディジタルオーディ
オ信号のビット数は20ビットや16ビットに限定され
ず、任意に設定可能である。また、低域にエネルギが集
中したディザ信号は、図2の例に限定されず、さらに、
フィルタを用いずにディザ発生の段階でエネルギを低域
に集中させたディザ信号を直接的に得るようにしてもよ
い。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の付
加や変更が可能であることは勿論である。
【0082】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明に係るノイズ低減装置によれば、低域側にエネルギの
集中したディザ信号を入力信号に加算して量子化器に送
り、量子化器で発生した量子化誤差をノイズフィルタを
介して上記量子化器の入力側に帰還しているため、得ら
れる出力信号として、人間の聴覚感度が高い領域のノイ
ズを低く抑えながらノイズフロアを滑らかにでき、ノイ
ズシェーピングをかける前の入力信号の音質により近い
音質を実現できる。
【0083】また、入力信号のレベルに応じて発生され
たディザ信号を上記入力信号に加算することにより、量
子化ノイズが聴感上問題となるような入力信号のとき
に、ノイズが聞こえ難くなり、量子化ノイズが聴感上で
問題とならなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例としてのオーディオ信号
のノイズ低減装置の概略構成を示すブロック回路図であ
る。
【図2】エネルギが低域に集中されたディザ信号の一例
のスペクトルを示す特性図である。
【図3】本発明の第1の実施例の出力信号の一例のスペ
クトルを示す特性図である。
【図4】等ラウドネス曲線を示す特性図である。
【図5】ノイズフィルタの周波数特性の一例を示す特性
図である。
【図6】本発明の前提となるノイズ低減装置の基本構成
を示すブロック図である。
【図7】図6のノイズ低減装置の出力信号の一例のスペ
クトルを示す特性図である。
【図8】本発明の前提となるノイズ低減装置の他の例を
示すブロック図である。
【図9】図8のノイズ低減装置のディザ信号の一例のス
ペクトルを示す特性図である。
【図10】図8のノイズ低減装置の出力信号の一例のス
ペクトルを示す特性図である。
【図11】本発明の第2の実施例のノイズ低減装置の概
略構成を示すブロック図である。
【図12】本発明の第3の実施例のノイズ低減装置の概
略構成を示すブロック図である。
【図13】本発明の第4の実施例のノイズ低減装置の概
略構成を示すブロック図である。
【図14】コンパクトディスクのエンコーダ、デコーダ
システムに本実施例装置を適用した具体例を示すブロッ
ク図である。
【図15】本実施例装置を10ビットシステムに適用し
た具体例を示すブロック図である。
【図16】オーバーサンプリングを行うD/A変換器シ
ステムに本実施例装置を適用した具体例を示すブロック
図である。
【符号の説明】
10 加算器 11 量子化器 12 減算器 13 ノイズフィルタ 14 フィルタ係数計算回路 15 等ラウドネス曲線発生回路 16 低周波数帯域補正用信号発生回路 17 周波数分析回路 18 許容ノイズスペクトル計算回路 19、23 レベル検出器 20 ディザ信号出力部 21 ディザ発生回路 22 フィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 7/36 G10L 19/00 G11B 20/10 321 H03M 1/08

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 量子化器で発生した量子化誤差をノイズ
    フィルタを介して上記量子化器の入力側に帰還するよう
    にしたノイズ低減方法において、 周波数特性がフラットなデイザ信号のエネルギー分布を
    人間の聴覚感度の低い低域に集中させるためにフィルタ
    リング処理をする工程と、 上記フィルタリング処理によって人間の聴覚感度の低い
    低域側にエネルギー分布が集中したデイザ信号を上記ノ
    イズフィルタを介して上記量子化器の入力側に帰還され
    た量子化誤差と入力信号とに加算する工程とから成るこ
    とを特徴とするノイズ低減方法。
  2. 【請求項2】 上記入力信号のレベルに応じて上記周波
    数特性がフラットなデイザ信号のレベルを可変する工程
    を更に備えたことを特徴とする請求項1記載のノイズ低
    減方法。
  3. 【請求項3】 上記ノイズフィルタにおけるフィルタ特
    性は等ラウドネス曲線及びマスキング効果が適応された
    フィルタ特性であることを特徴とする請求項1記載のノ
    イズ低減方法。
  4. 【請求項4】 上記入力信号のレベルを検知し、入力信
    号のレベルが小さいときに上記ノイズフィルタの周波数
    特性を等ラウドネス曲線に適応した周波数特性に設定
    し、上記入力信号のレベルが大きくなるにつれ上記ノイ
    ズフィルタの周波数特性を上記入力信号のレベルに合わ
    せてフラットに設定する工程を更に備えたことを特徴と
    する請求項1記載のノイズ低減方法。
  5. 【請求項5】 入力信号を量子化する量子化手段と、 上記量子化手段の出力信号から該量子化手段への入力信
    号を減算する減算手段と、 上記減算手段からの出力が供給されるノイズフィルタ手
    段と、 周波数特性がフラットなデイザ信号を発生するデイザ発
    生手段と、 上記デイザ発生手段にて発生した周波数特性がフラット
    なデイザ信号のエネルギー分布を人間の聴覚感度の低い
    低域に集中させるためのフィルタ手段と、 上記フィルタ手段によって人間の聴覚感度の低い低域側
    にエネルギー分布が集中したデイザ信号と上記ノイズフ
    ィルタ手段の出力信号と上記入力信号とを加算する加算
    手段とから成ることを特徴とするノイズ低減装置。
  6. 【請求項6】 入力信号を量子化する量子化手段と、 上記量子化手段の出力信号から該量子化手段への入力信
    号を減算する減算手段と、 上記減算手段からの出力が供給されるノイズフィルタ手
    段と、 上記入力信号のレベルを検出するレベル検出手段と、 上記レベル検出手段にて検出したレベルに応じて周波数
    特性がフラットなデイザ信号のレベルを可変するデイザ
    発生手段と、 上記デイザ発生手段にて発生した周波数特性がフラット
    なデイザ信号のエネルギー分布を人間の聴覚感度の低い
    低域に集中させるためのフィルタ手段と、 上記フィルタ手段によって人間の聴覚感度の低い低域側
    にエネルギー分布が集中したデイザ信号と上記ノイズフ
    ィルタ手段の出力信号と上記入力信号とを加算する加算
    手段とから成ることを特徴とするノイズ低減装置。
  7. 【請求項7】 上記ノイズフィルタ手段にフィルタ係数
    を送るフィルタ係数計算手段と、 等ラウドネス曲線に関連するデータを上記フィルタ係数
    計算手段に送る等ラウドネス曲線発生手段とを更に備え
    たことを特徴とする請求項6記載のノイズ低減装置。
  8. 【請求項8】 入力信号を量子化する量子化手段と、 上記量子化手段の出力信号から該量子化手段への入力信
    号を減算する減算手段と、 上記減算手段からの出力が供給されるノイズフィルタ手
    段と、 上記入力信号のレベルを検出する第1のレベル検出手段
    と、 上記第1のレベル検出手段にて検出したレベルに応じて
    周波数特性がフラットなデイザ信号のレベルを可変する
    デイザ発生手段と、 上記デイザ発生手段にて発生した周波数特性がフラット
    なデイザ信号のエネルギー分布を人間の聴覚感度の低い
    低域に集中させるためのフィルタ手段と、 上記入力信号のレベルを検出する第2のレベル検出手段
    と、 上記ノイズフィルタ手段にフィルタ係数を送るフィルタ
    係数計算手段と、 等ラウドネス曲線に関連するデータを上記フィルタ係数
    計算手段に送る等ラウドネス曲線発生手段と、 上記入力信号の周波数分析を行う周波数分析手段と、 上記第2のレベル検出手段にて検出した入力信号のレベ
    ルに応じて、上記周波数分析手段からの出力情報と上記
    等ラウドネス曲線発生手段からの出力情報との帯域毎の
    合成比を可変する可変手段と、 上記可変手段にて可変された合成比に基づいて決定され
    たフィルタ係数を上記ノイズフィルタ手段に送るフィル
    タ係数計算手段と、 上記フィルタ手段によって人間の聴覚感度の低い低域側
    にエネルギー分布が集中したデイザ信号と上記ノイズフ
    ィルタ手段の出力信号と上記入力信号とを加算する加算
    手段とから成ることを特徴とするノイズ低減装置。
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