JP5017514B2

JP5017514B2 - ノーマライズ装置

Info

Publication number: JP5017514B2
Application number: JP2009035975A
Authority: JP
Inventors: 耕史大石
Original assignee: Korg Inc
Current assignee: Korg Inc
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP2010193221A

Description

本発明は、シグマデルタ変調が施された１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換する際のゲイン調整が可能なノーマライズ装置の改良に関する。

シグマデルタ変調された１ビットオーディオ信号は、従来のデジタルオーディオに使用されてきたフォーマットに比べて、高いサンプリング周波数で語長の短いものとなっている。そのため、広帯域の周波数において伝送可能となる点が利点となっている。さらに、シグマデルタ変調された１ビットオーディオ信号であっても、例えば６４倍の高いサンプリング周波数に対して、低域となる可聴帯域、即ちオーディオ帯域において十分なダイナミックレンジを確保でき、ハイクオリティの記録装置等にも適用可能となる（例えば、特許文献１参照）。そして、シグマデルタ変調された１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換してＰＣＭファイルとして出力する場合、ＰＣＭドメインでフルスケール（歪まない範囲内での最大音量）となるようにゲインを調整（単に「ノーマライズ」と称する）したいという要求がある。

特開２００４−８００７６号公報

そして、通常１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換する際にはデシメーションフィルタが使用されるが、このデシメーションフィルタは、出力サンプリング周波数の半分であるナイキスト周波数の範囲内に帯域を制限する低域通過フィルタと、サンプリングデータの間引きを行うデシメータによって構成されている。一般に、１ビットオーディオ信号はＰＣＭ信号のナイキスト周波数を超える帯域に多量の音信号とノイズとを含んでいるため、実際にファイルに含まれる全信号を所望のサンプリング周波数のＰＣＭ信号に変換しないかぎり最適なゲインは求まらない。このため、上記要求を満たすために、一度、１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換しながら最適ゲインを求め、再度、オリジナルの１ビットオーディオ信号が記憶されたファイルから１ビットオーディオ信号を読み出しながらこの最適ゲインを乗じてＰＣＭ信号に変換するという装置が提案されるが、同様のデシメーション処理を２度実行する必要があるため余計な処理時間がかかってしまうという問題があった。また、この処理時間を短縮するために、一時ファイル（中間ファイル）を利用する装置が提案される。この装置にあっては、先ず１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換しながら最適ゲインを求めると共に、このＰＣＭ信号をノーマライズされない状態で中間ファイルに出力する。そして、この中間ファイルに記憶されているデータに、求められたゲインを乗じながら別のファイルに出力することでデシメーション処理の回数を低減することができるものの、上記中間ファイルは音質を損なわないようにするために内部演算で使用される語長のまま出力する必要があり、中間ファイルや出力ファイルの容量が大規模になり、装置規模の巨大化やコスト上昇を避けられないという問題があった。

本発明は、かかる従来の課題を解決するためになされたもので、簡易な構成でデシメーション処理時間を増加させずに、１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換する際のゲイン調整が可能な装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、与えられたデータに対して所定レートで間引きを行ってＰＣＭ信号への変換を行うデシメーションフィルタ（４０）と、
１ビットストリームを構成する各１ビットのオーディオ信号の夫々が個別のアドレスに記憶されている記憶手段（８０）から順次読み出された前記１ビットストリームのピーク値に対するアドレスであるピークアドレスを検出するピーク位置検出手段（１０）と、
前記ピークアドレスを補正して補正ピークアドレスを求めるピークアドレス補正手段（２０）と、
前記補正ピークアドレスに対する１ビットデータを含む、前記記憶手段の初期アドレスから最終アドレスまで記憶されている１ビットストリームに満たない、複数データを読み出しこの読み出した複数データを前記デシメーションフィルタに与えるデータ読み出し手段（３０）と、
前記複数データを前記デシメーションフィルタ（４０）に与えることによって出力されるＰＣＭ信号に基づいて正規化係数を求める正規化係数算出手段（７０）と、
前記データ読み出し手段（３０）が、再度、前記記憶手段（８０）から順次読み出した前記１ビットストリームを前記デシメーションフィルタ（４０）に与えることによって出力されるＰＣＭ信号に対して、前記正規化係数算出手段（７０）で既に求めた正規化係数を乗じる正規化手段（５０）と、を備えたことを特徴とするようにした。

上記装置において、前記ピーク位置検出手段は、複数のシフト部の夫々を直列に接続し、各シフト部から取り出したデータを加算する加算部と、この加算部の加算結果の絶対値を求める絶対値検出部と、ピークアドレス検出部とを含み、このピークアドレス検出部は、前記絶対値検出部が求めた絶対値が、自身が現在保持している絶対値よりも大きなものとなった場合に自身が現在保持しているアドレスをこれより大きな絶対値に対するアドレスで更新し、所定時間間隔でその時保持されているアドレスをピークアドレスとして出力する構成とすることができる。

そして、前記ピークアドレス補正手段が、前記ピーク位置検出手段が検出したピークアドレスの値に対して前記複数のシフト部が接続された前記加算部による信号遅延と前記デシメーションフィルタの信号遅延との差に相当するアドレスの値をオフセットさせたアドレスの前後に位置する、前記デシメーションフィルタから所定レートで出力されるＰＣＭ信号のサンプリングタイミングに対応する２つのアドレスを補正ピークアドレスとする構成とすれば、ＰＣＭ出力に対応したピークアドレスを求めることができる。また、前記正規化係数演算手段は、前記デシメーション手段からのＰＣＭ信号のピーク値の絶対値の逆数に１を乗じた値を正規化係数として求めることで簡単にゲイン調整（ノーマライズ）を行うことが可能となる。

本発明によれば、簡易な構成でデシメーション処理時間を増加さずに、１ビットオーディオ信号をＰＣＭ信号に変換する際のゲイン調整が可能な装置を実現することが可能になるという効果が得られる。

本装置の構成図である。ピーク位置検出器１０の構成図である。動作の説明図である。動作の説明図である。動作の説明図である。

以下、本発明を実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（構成）
図１は本発明の実施形態であるノーマライズ装置１の構成図である。このノーマライズ装置１は、シグマデルタ変調された１ビットのオーディオ信号が順番にアドレス付けされて記憶されている１ビットオーディオファイル８０と、１ビットオーディオ信号のピーク値のアドレスであるピークアドレスを検出出力するピーク位置検出器１０と、検出されたピークアドレスを補正するピークアドレス補正器２０と、１ビットオーディオファイル８０から所要のデータ読み出しを行うデータ読み出し器３０と、１ビットオーディオ信号を所定のレートで間引いて（例えば６４サンプリング毎に１個のデータを出力する）ＰＣＭ信号に変換するデシメーションフィルタ４０と、正規化係数を算出する正規化係数算出器７０と、ＰＣＭ信号に対して求めた正規化係数を乗じた信号を求めて出力する正規化器５０と、データ書き込みを行うデータ書き込み器６０と、最終的にＰＣＭ信号が書き込まれてこれを記憶するＰＣＭファイル９０とを有して構成される。

１ビットオーディオファイル８０には、初期アドレス（例えばアドレス「０」）から最終アドレスまでの夫々に対応して、既にシグマデルタ変調が施された１ビットオーディオ信号が１ビットづつ順番のアドレスで記憶されている。例えば、Ｍ個の１ビットのオーディオ信号が記憶されているとすると、夫々の１ビットのオーディオ信号のアドレスは、順次、初期アドレス「０」から最終アドレス「Ｍ−１」までとなっている。そして、ビットストリーム（１ビットオーディオ信号）においてピーク値を取る位置に対応するアドレスがピークアドレスとなる。

図２はピーク位置検出器１０の構成図である。図２（ａ）に示すように、このピーク位置検出部１０は、複数（例えば４８個）のシフト部１０１の夫々を直列接続し、各シフト部１０１から取り出したデータを加算する加算部１１０と、この加算部１１０の加算結果の絶対値を求めるＡＢＳ部１２０と、ピークアドレス検出部１３０とを含んで構成されている。各シフト部１０１と加算部１１０とで所定時間におけるデータ加算を行う簡易なローパスフィルタとして機能する。そして、ピークアドレス検出部１３０は、アドレス値等がリセット時に初期値に設定される。このピークアドレス部１３０は、ＡＢＳ部１２０が求めた絶対値が、自身が現在保持している絶対値よりも大きなものとなった場合に自身が現在保持しているアドレスをこれより大きな絶対値に対するアドレスで更新し、所定時間間隔でその時保持されているアドレスを最大ピークアドレスとして出力する。かくして、ピークアドレス検出部１３０は、所定時間毎にピークアドレス補正器２０に対してピークアドレスを送出することが可能となる。なお、ピークアドレス検出部１３０は、ピークアドレス出力直後にリセットされ、再度、アドレス等が初期値に設定されて次回の所定時間のピークアドレスの出力動作にそなえている。また、ＡＢＳ部１２０が求めた絶対値が、現在保存している絶対値と同じ場合にはアドレスをテーブル化してすべて保持する。これは、この時点で得られたピークアドレスは、おおよそのピーク値に対応するアドレスであり真のピークは補正後に確定されるからである。

また、図２（ｂ）に示すものはピーク値位置検出器１０の他の構成例であり、図２（ａ）との構成の差は、ダウンサンプリング部１４０を備えている点にある。このダウンサンプリング部１４０は、例えば８個のデータを受けとってその内１個のみを使用する、即ち、データ間引きを行うためのものであり、この構成によれば、加算回数の減少や１バイトデータとして取り扱い可能となる等の利点を有する。

図５はピークアドレス補正器２０が、ピーク位置検出器１０が求めたピークアドレスに対して補正を行って補正ピークアドレスを求める動作の説明図である。先ず、図５には示さないがピークアドレス補正器２０は、ピーク位置検出器１０の、複数のシフト部１０１が接続された加算部１１０による信号遅延とデシメーションフィルタ４０の信号遅延との差に相当するアドレスを検出する。具体的には、ピーク位置検出器１０のタップ数（図２（ａ）のシフト部１０１の数）からデシメーションフィルタを構成するタップ数（不図示）を減じたタップ数の「２分の１」に相当するアドレスをピーク位置検出器１０から送られるピークアドレスから減じる。なお、本装置１にあっては、この信号遅延との差に相当するアドレスをピークアドレスから減じるのみではなく更にピークアドレスの補正を行う。また、図２のＡＢＳ部１２０での信号遅延が大きな場合には、複数のシフト部１０１が接続された加算部１１０による信号遅延に加えてＡＢＳ部１２０の信号遅延を加算した信号遅延を考慮するのが好ましい。

さて、図５の下段に示すものは、デシメーションフィルタ４０で１ビットストリームに対する間引きが行われて生成され最終的にＰＣＭファイル９０に記憶されるＰＣＭデータであり、夫々の黒点がＰＣＭデータを示している。また、図５の上段には、これに対応する、横軸方向が順にアドレスが初期アドレスから最終アドレスとなるようにＰＣＭデータが記載されている。ＰＣＭデータは、１ビットストリームを所定のレートで間引いているためデータが連続して存在せずに飛び飛びに存在する一方、不図示の１ビットストリームはアドレスが連続するように存在する多量のデータである。

ＰＣＭファイル９０に出力されるＰＣＭデータのピークは符号Ｂに示すものではなく符号Ａに示すものであるので、ノーマライズのゲインは符号Ａで示すＰＣＭデータから算出することが必要となる。即ち、ピーク位置検出器１０が検出したピークアドレスの値に対して複数のシフト部１０１が接続された加算部１１０による信号遅延とデシメーションフィルタ４０の信号遅延との差に相当するアドレスの値をオフセットさせたアドレス（符号Ｂ参照）の前後に位置する、デシメーションフィルタ４０から所定レートで出力されるＰＣＭデータのサンプリングタイミングに対応する２つのアドレス（図５の符号Ａ、Ｃで示すサンプリングデータに対応するアドレス）を補正ピークアドレスとする処理を行う。そして、正規化係数算出器７０は、符号Ａ及び符号Ｃで示すＰＣＭサンプリングデータの内でより大きなものを「ピーク値」と判定し、この「ピーク値」の絶対値の逆数に１．０を乗じた値を正規化係数として求める。かくして、簡易な処理で適切なノーマライズを実現することが可能となる。

なお、図１に示す装置は総てハードウエアで実現することもできるし、ＣＰＵやＤＳＰがＲＯＭ等の記録媒体に記録されているプログラムを実行することにより実現することも可能である。

（動作）
次にノーマライズ装置１の全体動作を説明する。先ず、データ読み出し器３０は、１ビットオーディオファイル８０に記憶されている、既にシグマデルタ変調が施された１ビットオーディオ信号を初期アドレスから最終アドレスのデータまで順次読み出した１ビットストリームをピーク位置検出器１０に送る。図３（ａ）はシグマデルタ変調が施された１ビットストリームを示しており、縦方向中央横軸方向はアドレス順番に相当し、この横軸を中心としてデジタル信号「１」に対しては「＋１」となり、デジタル信号「０」に対しては「−１」となる信号となっている。この１ビットストリームが入力されると、ピーク位置検出器１０はピーク値を検出し、この検出したピーク値に対するアドレスであるピークアドレスをピークアドレス補正器２０に出力する。図３（ｂ）はこの出力波形を示している。但し、この段階ではピークアドレスは未だ補正されていない。なお、図３（ｂ）の横軸はアドレス順、縦軸は図２のＡＢＳ部１２０の出力に対応している。

そして、ピークアドレス補正器２０は、上述したようにしてピークアドレスを補正し、補正ピークアドレスをデータ読み出し器３０に対して出力する。図３（ｃ）はピークアドレスが補正された様子を示したものであり、図３（ｂ）と比較すれば分かるように、補正された正確なアドレスは未補正のアドレスよりも小さなアドレスとなっている。そして、データ読み出し器３０は、補正ピークアドレスに対応するデータを含む、１ビットオーディオファイル８０の初期アドレスから最終アドレスまで記憶されている「１ビットストリーム」に満たない、複数データを１ビットオーディオファイル８０から読み出してデシメーションフィルタ４０に送る。

次に、デシメーションフィルタ４０は、入力された前記複数データを出力ＰＣＭファイル９０に記憶されるべきＰＣＭデータと同一のサンプリング周波数のＰＣＭ信号に変換し、正規化係数算出器７０へ送る。そして、正規化係数算出器７０は、入力されたＰＣＭ信号のピーク値を求め、「１．０／（ピーク値の絶対値）」なる演算式を用いて正規化係数を算出する。これが最適ゲインとなり、図４（ａ）は正規化係数をピーク値を用いて算出する様子を示している。

そして、再度、データ読み出し器３０は、１ビットオーディオファイル８０に記憶されている、既にシグマデルタ変調が施された１ビットオーディオ信号を初期アドレスから最終アドレスまで順次読み出して、１ビットストリームをデシメーションフィルタ４０に送る。すると、デシメーションフィルタ４０は、入力された１ビットストリームに対して所定レートでの間引きを行ってＰＣＭ信号へと変換して正規化器５０へと送る。正規化器５０は、入力されたＰＣＭ信号に対して、既に正規化係数算出器７０によって得られている正規化係数を乗じた正規化信号をデータ書き込み器６０へと送る。データ書き込み器６０はこれをＰＣＭファイル９０に出力する。図４（ｂ）はこの際に出力される正規化信号（ＰＣＭ信号）の一例を示しており、図中黒丸はＰＣＭデータを示す。

以上説明してきたように、本装置はオーディオ分野で利用することができる。

１ノーマライズ装置
１０ピーク位置検出器
２０ピークアドレス補正器
３０データ読み出し器
４０デシメーションフィルタ
５０正規化器
６０データ書き込み器
７０正規化係数算出器
８０１ビットオーディオファイル
９０ＰＣＭファイル

Claims

与えられたデータに対して所定レートで間引きを行ってＰＣＭ信号への変換を行うデシメーションフィルタ（４０）と、
１ビットストリームを構成する各１ビットのオーディオ信号の夫々が個別のアドレスに記憶されている記憶手段（８０）から順次読み出された前記１ビットストリームのピーク値に対するアドレスであるピークアドレスを検出するピーク位置検出手段（１０）と、
前記ピークアドレスを補正して補正ピークアドレスを求めるピークアドレス補正手段（２０）と、
前記補正ピークアドレスに対する１ビットデータを含む、前記記憶手段の初期アドレスから最終アドレスまで記憶されている１ビットストリームに満たない、複数データを読み出しこの読み出した複数データを前記デシメーションフィルタに与えるデータ読み出し手段（３０）と、
前記複数データを前記デシメーションフィルタ（４０）に与えることによって出力されるＰＣＭ信号に基づいて正規化係数を求める正規化係数算出手段（７０）と、
前記データ読み出し手段（３０）が、再度、前記記憶手段（８０）から順次読み出した前記１ビットストリームを前記デシメーションフィルタ（４０）に与えることによって出力されるＰＣＭ信号に対して、前記正規化係数算出手段（７０）で既に求めた正規化係数を乗じる正規化手段（５０）と、を備えたことを特徴とするノーマライズ装置。