JP3642460B2 - デジタル式送受話器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ音響信号を扱う一般の情報通信機器，電気音響機器，計測機器およびシステムにおける入出力に係り、特にデジタル信号を扱う機器あるいはシステムなどに接続されて音声通信に利用されるデジタル式送受話器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタル信号を扱う通信システムを用いて音声などによる通信を行う場合、送信側ではマイクロホンとＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器によってアナログ音声信号をデジタル信号に変換して通信システムに結合し、受信側では受信したデジタル信号をＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器によってアナログ信号に変換して、スピーカ，イヤホンなどのアナログ式変換器を駆動することにより音声信号を再生する。
【０００３】
図４は従来のデジタル信号を扱う通信システムの概略構成を示すブロック図であり、送信側において、１１はアナログ式マイクロホン、１２はＡ／Ｄ変換器であって、１３はデジタル通信路、また受信側において、１４はＤ／Ａ変換器、１５はアナログ式スピーカあるいはイヤホンである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の通信システムでは、Ａ／Ｄ変換器，Ｄ／Ａ変換器、およびこれらに付設される電源など、多くの部品を必要とするだけでなく、アナログ信号における雑音，漏話，混信，盗聴などの不具合の発生が問題になっていた。
【０００５】
本発明は、前記のようなアナログ信号に付随する多くの問題を解消し、音声とデジタル通信システムとを直接結合することを可能にするデジタル式送受話器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明のデジタル式送受話器は、キャビティ内に設けられた複数の発音体ユニットと、前記発音体ユニットに近接配置され、プリアンプが設けられた受音用センサユニットと、外部音響をキャビティ内に導入する導音パイプとを備え、かつ前記発音体ユニットを同じ特性の発音体を２の整数乗の数にグループ化し、発音体駆動電源を接／断する駆動回路を備え、各ビット桁位置に対応し前記発音体ユニットにより音響パルスを前記キャビティ内に発生させて、少なくとも導音パイプにより導かれる外部音響信号と前記キャビティ内で合成し、前記受音用センサユニットの出力を２進数値としてシグマ・デルタ変換して高速に累積加算し、前記発音体ユニットへ帰還し、外部音響を＋／−１ＬＳＢ範囲内でキャンセルした後に、外部からのデジタル電気信号を前記発音体ユニットに加えるとともに、受音用センサユニットからの出力を前記累積加算の速度の１／２以下の速度でサンプリングして、デジタル出力として送出することによりデジタル伝送路と直接接続可能にしたものであり、これによりアナログ音声信号とデジタル電気信号との変換機能を有する送受話器が構成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００８】
図１は本発明の第１実施形態を説明するためのデジタル式送受話器における電気音響変換部を断面し、電子回路部およびデジタル入出力部の構成をブロック図として示したものであり、電気音響変換部において、２１は送受話器を使用者の耳殻部に当接するためのイヤーパッド、２２はアナログ音響を耳殻に伝達するための音孔、２３はキャビティ２４内にデジタル電気信号から変換形成されたアナログ音響信号のうち必要な基本波のみを出力するための細孔、２４はアナログ音響信号を生成すると共に送信すべき音声信号を混合するためのキャビティ、２５は前記送信すべき音声信号を導入するための導音パイプ、２６1，２６2，……，２６nは同一のものであって、複数のコンデンサスピーカ（発音体ユニット。以下、ユニットＡという）、２７は１つのコンデンサマイクロホン（受音用センサユニット。以下、ユニットＢという）である。
【０００９】
さらに電子回路部およびデジタル入出力部において、２８はデジタル信号の直列並列変換器、２９は加算器、３０は出力サンプリング回路、３１は演算回路、３２はシグマ−デルタ変換器、３３は入力サンプリング回路、３４はレベル調整器、３５はデジタル出力端子、３６はデジタル入力端子、３７はゲート回路群、３８は電極駆動電源である。
【００１０】
前記構成のデジタル式送受話器の動作を説明する。
【００１１】
電気音響変換部におけるユニットＡのコンデンサスピーカと、ユニットＢのコンデンサマイクロホンはそれぞれ公知のものであって、コンデンサマイクロホンは、その出力電圧が、振動膜面上の音圧による振動膜の変位と、エレクトレット表面電位（または正極電圧）に比例することが知られている。また、コンデンサスピーカは、その出力音圧が、静電的に振動膜に加えられる駆動力に比例し、その駆動力の大きさはエレクトレット表面電位（または正極電位）と外部から与えられる信号電圧の積と、振動膜に対向する駆動用電極の面積の大きさによって決定される。
【００１２】
そこで、ユニットＡをデジタル信号のデータを構成する桁数にグループ分けし、デジタル信号の各ビットの桁位置に対応して、（数１）に示す割合でグループのユニットＡの個数を定める。
【００１３】
【数１】
２0：２1：２2：２3：２4：……… ＝ １：２：４：８：１６：………
前記ビットが存在する場合に一定電圧の電極駆動電源３８と、そのユニットグループとの接続を「接」として駆動力を与える。これにより、デジタル信号の数値に従った大きさの音圧パルスをキャビティ２４内に放射させる。そのキャビティ２４内での全体の音圧の大きさは、（数２）に示すようになる。
【００１４】
【数２】
ｂ0・２0＋ｂ1・２1＋ｂ2・２2＋………
ただし、ｂ0，ｂ1，ｂ2，………は、０または＋１または−１の符号である。
【００１５】
すなわち、ユニットＡ群を介して電気−音響変換と、デジタル−アナログ変換を同時に行うものである。この際、印加するデジタル電気信号は、すべての桁位置に対して電圧が一定であり、かつ十分に高いクロック周波数を有するものとすると、駆動力の周波数特性は平坦とみなすことができる。また個々の桁位置に対する供給電圧とグループ内のユニットＡの個数との積を前記割合により設定しても同様な動作が行われる。
【００１６】
なお、このキャビティ２４の大きさが対象とする周波数範囲内において波長よりも十分小さいため、その内部での音圧はすべての場所において均一であるとみなせる。
【００１７】
以上において、デジタル信号による電気−音響変換について説明したが、このようにして放射された音響信号は導音パイプ２５によって外部から導入される送信音声信号と、キャビティ２４内において混合され、ユニットＡと同一空間内に配置されているユニットＢの検出用電極によって検出されると共に、受信信号音声として耳殻に伝達される。
【００１８】
検出された音響信号は、レベル調整器３４においてレベルが調整された後、入力サンプリング回路３３によって時間軸上のサンプリングを行った後に、シグマ−デルタ変調器３２において、そのサンプル値を１つ前のものと比較して、その差が予め設定されているスレショルドレベル以上に増加している場合に＋１なる出力パルスを発生し、また減少している場合には−１なる出力パルスを発生し、さらに差がスレショルドレベル以内であれば出力パルスを発生しない。すなわち、デルタ変調処理を行う。
【００１９】
このようにして得られた＋１，−１または０なる出力を２進数とみなして演算回路３１に供給する。演算回路３１は、供給された値を累積加減算し、常に新しいデジタル値を作成する。
【００２０】
ここで受信信号として外部から供給されるデジタル電気信号がない場合、ユニットＢにおいて検出され、かつ各部において処理された後に演算回路３１に与えられるものは、導音パイプ２５によってユニットＢの振動膜面上に与えられる音圧による加振力によるもののみである。この場合、外部からキャビティ２４内に導入される送信音声によって与えられるユニットＢの振動膜面上の音圧と、演算回路３１から加算器２９，直列並列変換器２８およびゲート回路群３７を経由してユニットＡ群から放射される合成音圧が、誤差の範囲内でバランスしていて、キャビティ２４内部の音が打ち消された状態となる。
【００２１】
前記誤差は、演算回路３１においてユニットＢの出力が小となるように常に加減算が行われているため、デジタル信号の最下位ビットの範囲内である。すなわち、このときの演算回路３１の出力は、送信すべき音声信号をデジタル化したものに他ならない、この場合、演算回路３１の動作は、デジタル変調の特性上、通常のデジタル信号のビット長倍の高速のクロックにより動作しているため、出力サンプリング回路３０によって通常のクロック速度に変換される。
【００２２】
また、通信路から到来するデジタル受信信号は、デジタル入力端子３６から供給され、加算器２９において演算回路３１の出力に加算すれば、これはアナログ信号音として再生伝達され、通信の目的が達成される。
【００２３】
図２は本発明の第２実施形態を説明するための電気音響変換部内におけるユニットＡの構成を示す説明図であり、４１は振動膜であり、ＦＥＰ（フロロ エチレン プロピレン）樹脂などの絶縁材からなる絶縁膜であり、その片側面(本例では上面)に金属導体が蒸着されている。なお、蒸着前にはコロナシャワーなどにより着電されてエレクトレットになっている。４２は複数個の通孔４２ａが形成されている薄板からなる絶縁スペーサ、４３は絶縁スペーサ４２の通孔４２ａに対応して複数個の導電面４３ａが絶縁物上に形成された電極群であって、前記振動膜４１と絶縁スペーサ４２と電極群４３とを重ね合わせることにより前記ユニットＡに相当するものが構成される。
【００２４】
図３は前記実施形態の送受話器を実際に使用して通信システムを構成した例を示す説明図であり、５１は前記実施形態の構成のデジタル式送受話器、５２はスクランプラ、５３はモデム、５４は有線あるいは無線の送受信機である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のデジタル式送受話器によれば、アナログ音声信号とデジタル電気信号との変換機能を有する送受話器が構成され、通信システムは完全にデジタル化され、そのためスクランブルは略無限の秘話機能を確保することができると共に、受話器としての機能も得られるという実際的な効果が大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明するためのデジタル式送受話器における電気音響変換部を断面し、電子回路部およびデジタル入出力部の構成をブロック図として示した図
【図２】本発明の第２実施形態を説明するための電気音響変換部内におけるユニットＡの構成を示す説明図
【図３】本実施形態の送受話器を実際に使用して通信システムを構成した例を示す説明図
【図４】従来のデジタル信号を扱う通信システムの概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
２１ イヤーパッド
２２ 音孔
２３ 細孔
２４ キャビティ
２５ 導音パイプ
２６1，２６2，……，２６n コンデンサスピーカ
２７ コンデンサマイクロホン
２８ 直列並列変換器
２９ 加算器
３０ 出力サンプリング回路
３１ 演算回路
３２ シグマ−デルタ変換器
３３ 入力サンプリング回路
３４ レベル調整器
３５ デジタル出力端子
３６ デジタル入力端子
３７ ゲート回路群
３８ 電極駆動電源
４１ 振動膜
４２ 絶縁スペーサ
４２ａ 絶縁スペーサの通孔
４３ 電極群
４３ａ 導電面
５１ デジタル式送受話器
５２ スクランプラ
５３ モデム
５４ 有線あるいは無線の送受信機
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ音響信号を扱う一般の情報通信機器，電気音響機器，計測機器およびシステムにおける入出力に係り、特にデジタル信号を扱う機器あるいはシステムなどに接続されて音声通信に利用されるデジタル式送受話器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタル信号を扱う通信システムを用いて音声などによる通信を行う場合、送信側ではマイクロホンとＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器によってアナログ音声信号をデジタル信号に変換して通信システムに結合し、受信側では受信したデジタル信号をＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器によってアナログ信号に変換して、スピーカ，イヤホンなどのアナログ式変換器を駆動することにより音声信号を再生する。
【０００３】
図４は従来のデジタル信号を扱う通信システムの概略構成を示すブロック図であり、送信側において、１１はアナログ式マイクロホン、１２はＡ／Ｄ変換器であって、１３はデジタル通信路、また受信側において、１４はＤ／Ａ変換器、１５はアナログ式スピーカあるいはイヤホンである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の通信システムでは、Ａ／Ｄ変換器，Ｄ／Ａ変換器、およびこれらに付設される電源など、多くの部品を必要とするだけでなく、アナログ信号における雑音，漏話，混信，盗聴などの不具合の発生が問題になっていた。
【０００５】
本発明は、前記のようなアナログ信号に付随する多くの問題を解消し、音声とデジタル通信システムとを直接結合することを可能にするデジタル式送受話器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明のデジタル式送受話器は、キャビティ内に設けられた複数の発音体ユニットと、前記発音体ユニットに近接配置され、プリアンプが設けられた受音用センサユニットと、外部音響をキャビティ内に導入する導音パイプとを備え、かつ前記発音体ユニットを同じ特性の発音体を２の整数乗の数にグループ化し、発音体駆動電源を接／断する駆動回路を備え、各ビット桁位置に対応し前記発音体ユニットにより音響パルスを前記キャビティ内に発生させて、少なくとも導音パイプにより導かれる外部音響信号と前記キャビティ内で合成し、前記受音用センサユニットの出力を２進数値としてシグマ・デルタ変換して高速に累積加算し、前記発音体ユニットへ帰還し、外部音響を＋／−１ＬＳＢ範囲内でキャンセルした後に、外部からのデジタル電気信号を前記発音体ユニットに加えるとともに、受音用センサユニットからの出力を前記累積加算の速度の１／２以下の速度でサンプリングして、デジタル出力として送出することによりデジタル伝送路と直接接続可能にしたものであり、これによりアナログ音声信号とデジタル電気信号との変換機能を有する送受話器が構成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００８】
図１は本発明の第１実施形態を説明するためのデジタル式送受話器における電気音響変換部を断面し、電子回路部およびデジタル入出力部の構成をブロック図として示したものであり、電気音響変換部において、２１は送受話器を使用者の耳殻部に当接するためのイヤーパッド、２２はアナログ音響を耳殻に伝達するための音孔、２３はキャビティ２４内にデジタル電気信号から変換形成されたアナログ音響信号のうち必要な基本波のみを出力するための細孔、２４はアナログ音響信号を生成すると共に送信すべき音声信号を混合するためのキャビティ、２５は前記送信すべき音声信号を導入するための導音パイプ、２６1，２６2，……，２６nは同一のものであって、複数のコンデンサスピーカ（発音体ユニット。以下、ユニットＡという）、２７は１つのコンデンサマイクロホン（受音用センサユニット。以下、ユニットＢという）である。
【０００９】
さらに電子回路部およびデジタル入出力部において、２８はデジタル信号の直列並列変換器、２９は加算器、３０は出力サンプリング回路、３１は演算回路、３２はシグマ−デルタ変換器、３３は入力サンプリング回路、３４はレベル調整器、３５はデジタル出力端子、３６はデジタル入力端子、３７はゲート回路群、３８は電極駆動電源である。
【００１０】
前記構成のデジタル式送受話器の動作を説明する。
【００１１】
電気音響変換部におけるユニットＡのコンデンサスピーカと、ユニットＢのコンデンサマイクロホンはそれぞれ公知のものであって、コンデンサマイクロホンは、その出力電圧が、振動膜面上の音圧による振動膜の変位と、エレクトレット表面電位（または正極電圧）に比例することが知られている。また、コンデンサスピーカは、その出力音圧が、静電的に振動膜に加えられる駆動力に比例し、その駆動力の大きさはエレクトレット表面電位（または正極電位）と外部から与えられる信号電圧の積と、振動膜に対向する駆動用電極の面積の大きさによって決定される。
【００１２】
そこで、ユニットＡをデジタル信号のデータを構成する桁数にグループ分けし、デジタル信号の各ビットの桁位置に対応して、（数１）に示す割合でグループのユニットＡの個数を定める。
【００１３】
【数１】
２0：２1：２2：２3：２4：……… ＝ １：２：４：８：１６：………
前記ビットが存在する場合に一定電圧の電極駆動電源３８と、そのユニットグループとの接続を「接」として駆動力を与える。これにより、デジタル信号の数値に従った大きさの音圧パルスをキャビティ２４内に放射させる。そのキャビティ２４内での全体の音圧の大きさは、（数２）に示すようになる。
【００１４】
【数２】
ｂ0・２0＋ｂ1・２1＋ｂ2・２2＋………
ただし、ｂ0，ｂ1，ｂ2，………は、０または＋１または−１の符号である。
【００１５】
すなわち、ユニットＡ群を介して電気−音響変換と、デジタル−アナログ変換を同時に行うものである。この際、印加するデジタル電気信号は、すべての桁位置に対して電圧が一定であり、かつ十分に高いクロック周波数を有するものとすると、駆動力の周波数特性は平坦とみなすことができる。また個々の桁位置に対する供給電圧とグループ内のユニットＡの個数との積を前記割合により設定しても同様な動作が行われる。
【００１６】
なお、このキャビティ２４の大きさが対象とする周波数範囲内において波長よりも十分小さいため、その内部での音圧はすべての場所において均一であるとみなせる。
【００１７】
以上において、デジタル信号による電気−音響変換について説明したが、このようにして放射された音響信号は導音パイプ２５によって外部から導入される送信音声信号と、キャビティ２４内において混合され、ユニットＡと同一空間内に配置されているユニットＢの検出用電極によって検出されると共に、受信信号音声として耳殻に伝達される。
【００１８】
検出された音響信号は、レベル調整器３４においてレベルが調整された後、入力サンプリング回路３３によって時間軸上のサンプリングを行った後に、シグマ−デルタ変調器３２において、そのサンプル値を１つ前のものと比較して、その差が予め設定されているスレショルドレベル以上に増加している場合に＋１なる出力パルスを発生し、また減少している場合には−１なる出力パルスを発生し、さらに差がスレショルドレベル以内であれば出力パルスを発生しない。すなわち、デルタ変調処理を行う。
【００１９】
このようにして得られた＋１，−１または０なる出力を２進数とみなして演算回路３１に供給する。演算回路３１は、供給された値を累積加減算し、常に新しいデジタル値を作成する。
【００２０】
ここで受信信号として外部から供給されるデジタル電気信号がない場合、ユニットＢにおいて検出され、かつ各部において処理された後に演算回路３１に与えられるものは、導音パイプ２５によってユニットＢの振動膜面上に与えられる音圧による加振力によるもののみである。この場合、外部からキャビティ２４内に導入される送信音声によって与えられるユニットＢの振動膜面上の音圧と、演算回路３１から加算器２９，直列並列変換器２８およびゲート回路群３７を経由してユニットＡ群から放射される合成音圧が、誤差の範囲内でバランスしていて、キャビティ２４内部の音が打ち消された状態となる。
【００２１】
前記誤差は、演算回路３１においてユニットＢの出力が小となるように常に加減算が行われているため、デジタル信号の最下位ビットの範囲内である。すなわち、このときの演算回路３１の出力は、送信すべき音声信号をデジタル化したものに他ならない、この場合、演算回路３１の動作は、デジタル変調の特性上、通常のデジタル信号のビット長倍の高速のクロックにより動作しているため、出力サンプリング回路３０によって通常のクロック速度に変換される。
【００２２】
また、通信路から到来するデジタル受信信号は、デジタル入力端子３６から供給され、加算器２９において演算回路３１の出力に加算すれば、これはアナログ信号音として再生伝達され、通信の目的が達成される。
【００２３】
図２は本発明の第２実施形態を説明するための電気音響変換部内におけるユニットＡの構成を示す説明図であり、４１は振動膜であり、ＦＥＰ（フロロ エチレン プロピレン）樹脂などの絶縁材からなる絶縁膜であり、その片側面(本例では上面)に金属導体が蒸着されている。なお、蒸着前にはコロナシャワーなどにより着電されてエレクトレットになっている。４２は複数個の通孔４２ａが形成されている薄板からなる絶縁スペーサ、４３は絶縁スペーサ４２の通孔４２ａに対応して複数個の導電面４３ａが絶縁物上に形成された電極群であって、前記振動膜４１と絶縁スペーサ４２と電極群４３とを重ね合わせることにより前記ユニットＡに相当するものが構成される。
【００２４】
図３は前記実施形態の送受話器を実際に使用して通信システムを構成した例を示す説明図であり、５１は前記実施形態の構成のデジタル式送受話器、５２はスクランプラ、５３はモデム、５４は有線あるいは無線の送受信機である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のデジタル式送受話器によれば、アナログ音声信号とデジタル電気信号との変換機能を有する送受話器が構成され、通信システムは完全にデジタル化され、そのためスクランブルは略無限の秘話機能を確保することができると共に、受話器としての機能も得られるという実際的な効果が大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明するためのデジタル式送受話器における電気音響変換部を断面し、電子回路部およびデジタル入出力部の構成をブロック図として示した図
【図２】本発明の第２実施形態を説明するための電気音響変換部内におけるユニットＡの構成を示す説明図
【図３】本実施形態の送受話器を実際に使用して通信システムを構成した例を示す説明図
【図４】従来のデジタル信号を扱う通信システムの概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
２１ イヤーパッド
２２ 音孔
２３ 細孔
２４ キャビティ
２５ 導音パイプ
２６1，２６2，……，２６n コンデンサスピーカ
２７ コンデンサマイクロホン
２８ 直列並列変換器
２９ 加算器
３０ 出力サンプリング回路
３１ 演算回路
３２ シグマ−デルタ変換器
３３ 入力サンプリング回路
３４ レベル調整器
３５ デジタル出力端子
３６ デジタル入力端子
３７ ゲート回路群
３８ 電極駆動電源
４１ 振動膜
４２ 絶縁スペーサ
４２ａ 絶縁スペーサの通孔
４３ 電極群
４３ａ 導電面
５１ デジタル式送受話器
５２ スクランプラ
５３ モデム
５４ 有線あるいは無線の送受信機
Claims (2)
- キャビティ内に設けられた複数の発音体ユニットと、前記発音体ユニットに近接配置され、プリアンプが設けられた受音用センサユニットと、外部音響をキャビティ内に導入する導音パイプとを備え、かつ前記発音体ユニットを同じ特性の発音体を２の整数乗の数にグループ化し、発音体駆動電源を接／断する駆動回路を備え、各ビット桁位置に対応し前記発音体ユニットにより音響パルスを前記キャビティ内に発生させて、少なくとも導音パイプにより導かれる外部音響信号と前記キャビティ内で合成し、前記受音用センサユニットの出力を２進数値としてシグマ・デルタ変換して高速に累積加算し、前記発音体ユニットへ帰還し、外部音響を＋／−１ＬＳＢ範囲内でキャンセルした後に、外部からのデジタル電気信号を前記発音体ユニットに加えるとともに、受音用センサユニットからの出力を前記累積加算の速度の１／２以下の速度でサンプリングして、デジタル出力として送出することによりデジタル伝送路と直接接続可能にしたことを特徴とするデジタル式送受話器。
- 前記受音用センサユニットは、エレクトレット膜を設けた静電型であり、前記キャビティにおいて前記導音パイプに対して直交して配置されたことを特徴とする請求項１記載のデジタル式送受話器。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34726898A JP3642460B2 (ja) | 1998-12-07 | 1998-12-07 | デジタル式送受話器 |
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