JP5257288B2

JP5257288B2 - 音声信号切り換えノイズ低減回路

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Publication number: JP5257288B2
Application number: JP2009179854A
Authority: JP
Inventors: 正幸岩松
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: US20110026735A1; US8483407B2; JP2011035661A

Description

この発明は音楽等の音声信号を、音声信号切換手段を経由した後さらに該音声信号の低域を遮断するローカットフィルタ（低域除去フィルタ）を経由して電気音響変換器で再生する構成を有する音声再生系統に適用される音声信号切り換えノイズ低減回路に関し、該構成で音声信号切換手段の切り換えに伴い固有に発生するノイズを低減したものである。

小型スピーカで音楽等の音声を再生する音声再生系統では、低域を含んだ音声信号をそのままスピーカに供給すると、該低域は再生に寄与しないにもかかわらずスピーカの振動板を大きな振幅で動作させるため、再生に寄与する中音域以上に対して振動板の可動域を狭めたり、該振動板の過大振幅が該振動板や駆動信号線に損傷を引き起こす恐れがある。そこでこのような音声再生系統ではスピーカの低域再生能力よりも低い周波数の信号がスピーカに供給されないように、アンプの増幅帯域を制限している。図２は低域を帯域制限した従来の音声再生系統を示す。記憶・記録媒体再生装置、テレビ・ラジオチューナ等の音声ソース１０から供給される音声信号は音声信号切換手段１２を経てローカットフィルタ１４で再生音に寄与しない例えば１ｋＨｚよりも低い成分が除去され、パワーアンプ１６で増幅されてスピーカ１８で再生される。音声信号切換手段１２は例えば音声ソース切換スイッチ、音声信号遮断スイッチ（ミュートスイッチ等）、音声信号の音量を段階的に切り換えるボリューム等であり、操作者により切換操作される切換操作子（ソース切換操作子、ミュート操作子、音量切換操作子等）あるいは人の切換操作によらずに自動で切換指示信号を出力する切換指示信号出力手段等の切換指示手段２０により、音声信号の切り換え（ソース種類の切り換え、音声のオン・オフ切り換え、音量の段階的切り換え等）を行う。ローカットフィルタ１４はキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１で構成される。

特開２００７−２５９３２４号公報特開２００１−２０３５８１号公報特開平７−３０４９７号公報特公平４−７８２０８号公報

図２の構成の音声再生系統では音声ソース１０から供給される音声信号の周波数と振幅に応じてローカットフィルタ１４のキャパシタＣ１の両端の電圧Ｖcが変動する。すなわちローカットフィルタ１４のカットオフ周波数以下の音声信号に対して、該音声信号の周波数が低くなるほど電圧Ｖcは増大する。図３は音声ソース１０からローカットフィルタ１４のカットオフ周波数以下の音声信号が供給されているときに音声信号切換手段１２が切り換えられて該音声信号が音声信号切換手段１２で遮断されたときの電圧波形を示す。（ａ）は音声ソース１０から供給される音声信号、（ｂ）はキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１の接続点Ｐの電位（抵抗Ｒ１の両端の電圧）である。音声信号が音声信号切換手段１２で遮断されるとキャパシタＣ１の両端の電圧Ｖcが抵抗Ｒ１に印加されるので、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ１の接続点Ｐの電位は−Ｖcに下がる。その後キャパシタＣ１の電荷は抵抗Ｒ１を介して放電されるので、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ１の接続点Ｐの電位はＲ１・Ｃ１の時定数で０Ｖに戻る。

このように、図２の音声再生系統では音声信号切換手段１２が切り換えられたときに、ローカットフィルタ１４に充電されていた電荷が放電されることによりキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１の接続点Ｐの電位にアンダーシュートが生じる。このアンダーシュート部分の周波数成分は音声ソース１０から供給される音声信号よりも高域に離れていることから、該音声信号には元々含まれていない「プチ」と聞こえる耳に感知されやすい異音（プチノイズ）をスピーカ１８から発声させる。

以上は音声信号切換手段１２が音声信号を遮断する場合について説明したが、音声信号切換手段１２が音声信号の音量を段階的（ステップ状）に切り換えるボリュームである場合にも同様な現象が生じ、ボリュームを変化させている間「プチプチ…」と連続して異音が生じる。例えば１ｋＨｚ以下は再生できないようにローカットフィルタ１４のカットオフ周波数が１ｋＨｚに設定されている携帯電話機において、音声ソース１０から１００Ｈｚの音声信号が供給された場合、該音声信号はローカットフィルタ１４で除去されてスピーカ１８から再生されないが、このとき、段階的に音量が切り換わる音声信号切換手段（ボリューム）１２を操作して音量を調整すると、この音量の段階的な切り換えはキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１の接続点Ｐの電位に段階的な変化をもたらし、該変化の都度該接続点Ｐにアンダーシュートを生じさせる。このため該音量を調整している間、１ｋＨｚ以上のプチノイズが聞こえる。なお音声信号の切り換えに伴う異音の発生を防止するようにした先行技術として、特許文献１〜４記載の技術があった。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、音声信号切換手段を経由した後さらに該音声信号の低域を遮断するローカットフィルタを経由して電気音響変換器で再生する構成を有する音声再生系統において、該音声信号切換手段の切り換えに伴い固有に発生するノイズを低減した音声信号切り換えノイズ低減回路を提供しようとするものである。

この発明は音声信号を、信号切り換え動作に伴い出力信号波形に段差を生じさせる音声信号切換手段を経由した後さらに該音声信号の低域を遮断するローカットフィルタを経由して電気音響変換器に供給する回路と、前記音声信号切換手段の切り換えを指示する切換指示手段とを具備する音声再生系統に適用される音声信号切り換えノイズ低減回路であって、前記音声信号切換手段よりも前段側に配置されたカットオフ周波数が可変の可変ローカットフィルタと、前記切換指示手段から切換指示が出されていないときは前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を該可変ローカットフィルタよりも後段側に配置される前記ローカットフィルタ（以下「後段側のローカットフィルタ」と略称する場合がある）のカットオフ周波数よりも低くし（カットオフ周波数を０Ｈｚにして（つまりローカットフィルタでなくして）全帯域を通過させる場合を含む）、前記切換指示が出されたときは前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を該切換指示が出されていないときに比べて高くし、その後該切換指示に応じた前記音声信号切換手段の切り換えを実行し、該音声信号切換手段の切換終了後に前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を前記切換指示が出される前の状態に戻す制御を実行する制御回路とを具備してなるものである。これによれば、切換指示手段から切換指示が出されたときに、音声信号切換手段を切り換えるのに先立ち、音声信号切換手段の入力信号の低域成分が可変ローカットフィルタで減衰するので、後段側のローカットフィルタのキャパシタの両端の電圧は低い値にされる。したがって音声信号切換手段が切り換えられたときにアンダーシュートあるいはオーバーシュートが発生しにくくなり、異音の発生が抑制される。前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数は、例えば前記切換指示手段から切換指示が出されていないときは前記音声信号の全帯域を通過させる値とし、前記切換指示が出されたときは前記後段側のローカットフィルタのカットオフ周波数に近似した値とすることができる。

この発明において、前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数の変更は、例えば該可変ローカットフィルタの音声信号路にキャパシタを挿入したまま該可変ローカットフィルタの時定数を変更することにより行うことができる。これによれば、可変ローカットフィルタの出力信号波形に急峻な段差が生じるのが防止され、可変ローカットフィルタの通過帯域の変更に伴い後段側のローカットフィルタで新たなノイズが発生するのを抑制することができる。

この発明において、前記音声信号切換手段は、例えば音声ソース切換スイッチ、音声信号遮断スイッチ、音声信号の音量を段階的に切り換えるボリュームのいずれかとすることができる。前記切換指示手段は、例えば操作者により切換操作される操作子とすることができる。前記制御回路は、例えば前記切換指示が出されたときの前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を前記後段側のローカットフィルタのカットオフ周波数と概ね等しい帯域に制御するものとすることができる。前記音声再生系統が携帯電話機に搭載されるもので、前記後段側のローカットフィルタで音声信号の低域側の通過帯域を概ね１ｋＨｚ以上の帯域に制限して該携帯電話機に搭載の前記電気音響変換器を構成する小型スピーカから該音声を発声するものである場合には、前記制御回路は、前記切換指示が出されたときの前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を概ね１ｋＨｚに設定するものとすることができる。

この発明の実施の形態を示すブロック図である。低域を帯域制限した従来の音声再生系統を示すブロック図である。図２の音声再生系統において音声信号切換手段１２が切り換えられたときの動作を示す波形図である。図１の音声信号切換手段１２の構成例を示す回路図である。図１の可変ローカットフィルタ２２の構成例を示す回路図である。図１の可変ローカットフィルタ２２の帯域設定例を示す特性図である。図１の音声信号切換手段１２の切換操作がされたときの動作を示すタイミングチャートである。図１の音声再生系統の応用例を示すブロック図である。図１の音声再生系統の他の応用例を示すブロック図である。

この発明の実施の形態を図１に示す。前出の図２と共通する部分には同一の符号を付す。記憶・記録媒体再生装置、テレビ・ラジオチューナ等の音声ソース１０から供給される音声信号は可変ローカットフィルタ（可変ハイパスフィルタ）２２および音声信号切換手段１２を経てローカットフィルタ１４で再生音に寄与しない例えば１ｋＨｚよりも低い成分が除去され、パワーアンプ１６で増幅されてスピーカ１８で再生される。可変ローカットフィルタ２２はカットオフ周波数が可変制御されるローカットフィルタで、音声ソース１０から供給される音声信号を、低域側の通過帯域を可変に通過させる。音声信号切換手段１２は例えば音声ソース切換スイッチ、音声信号遮断スイッチ（ミュートスイッチ等）、音声信号の音量を段階的に切り換えるボリューム等であり、音声信号の切り換え（ソースの切り換え、音声のオン・オフ切り換え、音量の段階的切り換え等）を行う。ローカットフィルタ１４はキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１で構成される。切換指示手段２０は操作者により切換操作される切換操作子（ソース切換操作子、ミュート操作子、音量切換操作子等）あるいは人の切換操作によらずに自動で切換指示信号を出力する切換指示信号出力手段等として構成される。制御回路２４は切換指示手段２０の切換指示に基づき音声信号切換手段１２を切換制御して、音声信号の切り換えを行う。また制御回路２４は切換指示手段２０の切換指示に基づき可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数を可変制御する。

音声信号切換手段１２の構成例を図４に示す。図４（ａ）〜（ｄ）の各音声信号切換手段１２は音声信号路を切り換えることにより音声信号を切り換えるものである。すなわち（ａ）の音声信号切換手段１２は音声ソース切換スイッチを構成するものである。複数の音声ソースからの音声信号は音声ソース切換スイッチ１２に入力されて、ソース切換操作子等で選択された単一の音声ソースからの音声信号が制御回路２４の切換制御により選択出力される。各音声ソースの信号路には、音声信号切換手段１２よりも手前側の位置にこの発明による図示しない可変ローカットフィルタが配置されている。各音声ソースの信号路の可変ローカットフィルタは音声信号切換手段１２の切り換えが行われる前後の期間にわたって一斉に（または切り換え前後の２つの音声ソースの可変ローカットフィルタについて）カットオフ周波数が一時的に低下される。（ｂ）の音声信号切換手段１２は音声信号遮断スイッチを構成するものである。音声ソース１０からの音声信号は音声信号遮断スイッチ１２に入力されて、ミュート操作子のオン・オフ操作等に応じて、制御回路２４の切換制御により通過・遮断される。（ｃ）の音声信号切換手段１２は音声信号の音量を段階的に切り換える電子ボリュームを構成するものである。音声ソース１０からの音声信号は電子ボリューム１２を構成する複数段の抵抗に入力されて、音量切換操作子の音量切換操作等に応じて、制御回路２４の切換制御によって複数段の抵抗をスイッチ（アナログスイッチ）で切り換えることにより音声ソース１０からの音声信号の音量を段階的に切り換える。

可変ローカットフィルタ２２の構成例を図５に示す。可変ローカットフィルタ２２はキャパシタＣ２と、直列接続抵抗Ｒ２，Ｒ３とで構成される。抵抗値はＲ２<<Ｒ３（例えばＲ２：Ｒ３＝１：１００）である。抵抗Ｒ３の両端には該両端間を短絡するスイッチＳ１が接続されている。スイッチＳ１は制御回路２４によりオン・オフされる。この可変ローカットフィルタ２２は、スイッチＳ１がオフされるとキャパシタＣ２と抵抗Ｒ２＋Ｒ３によるローカットフィルタとなり、カットオフ周波数は低くなる。このカットオフ周波数は例えば音声ソース１０から供給される音声信号の帯域（ＣＤ−ＤＡ音源の場合２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）を帯域制限せずに全帯域をそのまま通過させる値に設定することができる。音声信号切換手段１２の切り換えを行わないときはこの状態に保持される。これに対しスイッチＳ１がオンされるとキャパシタＣ２と抵抗Ｒ２によるローカットフィルタとなり、カットオフ周波数は高くなる。音声信号切換手段１２の切り換えを行うときに一時的にこの状態に移行する。このカットオフ周波数を移行させる際にキャパシタＣ２は音声信号路に入ったままなので、スイッチＳ１の切り換えに伴う大きなアンダーシュートは発生せず、耳に感知されるような新たなプチノイズは発生しない。

可変ローカットフィルタ２２の帯域設定例を図６に示す。（ａ）はスピーカ１８の再生帯域である。ここでは図１の音声再生系統全体が携帯電話機に搭載されるものとし、スピーカ１８が小型で１ｋＨｚ以上の帯域を再生できるものとする。（ｂ）は音声ソース１０から供給される音声信号の帯域であり、例えば２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚである。（ｃ）は後段側のローカットフィルタ１４の通過帯域を示す。スピーカ１８の再生帯域に合わせて１ｋＨｚ以上の帯域を通過するように設定されている。（ｄ）はスイッチＳ１がオフされているときの可変ローカットフィルタ２２の通過帯域を示す。音声ソース１０から供給される音声信号の帯域をそのまま通過できるように２０Ｈｚ（あるいはより低い周波数）以上の帯域を通過するように設定されている。（ｅ）はスイッチＳ１がオンされているときの可変ローカットフィルタ２２の通過帯域を示す。１ｋＨｚ以上の帯域を通過するように設定されている。この設定では音声ソース１０から供給される音声信号の低域が除去される。なおスイッチＳ１がオンされているときの可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数は後段側のローカットフィルタ１４のカットオフ周波数に厳密に合わせる必要はなく、異音低減効果と切り換え時の音色の変化との兼ね合いで設定することができる。例えば両カットオフ周波数を概略同等に設定すれば、異音低減効果を確保しつつ切り換え時の音色の変化を少なくすることができる。

次に制御回路２４による可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数の可変制御および音声信号切換手段１２の切換制御について説明する。図７は切換指示手段２０における切換操作により音声信号切換手段１２の切換が指示されたときの動作を示す。切換指示手段２０が操作される前はスイッチＳ１はオフされており可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数は低い周波数に設定されている。したがって音声ソース１０から供給される音声信号はそのままの帯域（帯域制限無しで）で音声信号切換手段１２を通過する。このとき音声信号切換手段１２の切換状態を状態Ａとする。切換指示手段２０が切換操作されて切換指示手段２０から切換指示信号が出力されると、すぐにスイッチＳ１がオンされて可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数は高い周波数にシフトアップされる。これにより後段側のローカットフィルタ１４のキャパシタＣ１の両端の電圧Ｖcが０Ｖ近くに低下する。その後、切換操作から所定の時間Ｔ１を経過後に、音声信号切換手段１２は今までの状態Ａから、切換指示手段２０の操作内容に応じた状態Ｂに切り換えられる。このときキャパシタＣ１の両端の電圧Ｖcが０Ｖに近くに低下しているので、音声信号切換手段１２が切り換えられてもローカットフィルタ１４のキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１の接続点Ｐの電位に大きな変化はなく、したがって接続点Ｐに大きなアンダーシュートは生じない。したがって耳に感知されるようなプチノイズは発生しない。なお時間Ｔ１は例えば後段側のローカットフィルタ１４の時定数よりも長い時間に設定することができる。その後、スイッチＳ１がオンされてから所定の時間Ｔ２（音声信号切換手段１２はの切り換えが終了した後のタイミング）を経過すると、スイッチＳ１はオフされて可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数は元の低い周波数にシフトダウンされる。これにより切換後の音声信号は音声ソース１０から供給される帯域を保持したまま音声信号切換手段１２を通過する。

図１の音声再生系統の応用例を図８に示す。この音声再生系統は、図１の音声再生系統において音声信号切換手段１２と後段側のローカットフィルタ１４との間にスイッチＳ２を配置してスピーカ１８による再生とヘッドフォン２６による再生を切り換えられるようにしたものである。スイッチＳ２は使用者の切換操作により切り換えられる。ヘッドフォン２６で再生するときは音声信号切換手段１２から出力される音声信号はスイッチＳ２を経てヘッドフォンアンプ２８で増幅され、ヘッドフォンジャック３０を経てヘッドフォン２６に供給されて再生される。ヘッドフォン２６の再生帯域は低域まで伸びているので、スピーカ１８の再生信号路に配置されているローカットフィルタ１４に相当するローカットフィルタはヘッドフォン２６の再生信号路には配置されていない。したがって音声信号切換手段１２で音声信号の切り換えが行われても、音声信号にアンダーシュートは生じず、耳に感知されるようなプチノイズは発生しない。音声ソース１０から供給される音声信号はそのままの帯域でヘッドフォン２６で再生される。ヘッドフォン２６で再生しているときは、音声信号切換手段１２で音声信号の切り換えが行われて可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数が一時的にシフトアップされたとしても、音声信号の切り換えが終了すれば該カットオフ周波数はすぐに元の周波数にシフトダウンされるので、Ｈｉ−Ｆｉ再生は維持される。

図１の音声再生系統の他の応用例を図９に示す。この音声再生系統は、図１のスピーカ１８をツイータとし、別途ウーハを追加して２ウェイスピーカシステムを構成したものである。音声信号切換手段１２と後段側のローカットフィルタ１４（ハイパスフィルタ）との間から信号路３２が分岐されている。この信号路３２に供給された音声信号は抵抗Ｒ４とキャパシタＣ４で構成されるローパスフィルタ３４で低域成分が抽出され、パワーアンプ３６で増幅されてウーハ３８で再生される。ローカットフィルタ１４の通過帯域の下限域とローパスフィルタ３４の再生帯域の上限域は相互にクロスオーバーしている。ウーハ３８の再生信号路にはローパスフィルタ３４が配置されているので音声信号切換手段１２で音声信号の切り換えが行われてもプチノイズは発生しない。また音声信号切換手段１２で音声信号の切り換えが行われて可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数が一時的にシフトアップされたとしても、音声信号の切り換えが終了すれば該カットオフ周波数はすぐに元の周波数にシフトダウンされて、ウーハ３８の再生信号路には音声ソース１０から供給される原音に含まれる低域成分がそのまま供給されるのでＨｉ−Ｆｉ再生が確保される。

前記実施の形態では可変ローカットフィルタ２２のカットオフ周波数を音声信号切換を行わないときに常時使用する低い周波数と、音声信号切換を行うときに一時的に使用する高い周波数とに二段階に切り換えるようにしたが、より多くの段階に切り換えることもできる。例えば上記高低２段階のカットオフ周波数に加えて０Ｈｚのカットオフ周波数（すなわち音声信号をそのまま通す）を用意し、音声信号切換を行わないときはカットオフ周波数を０Ｈｚに保持し、音声信号切換を行うときに低い（中間の）カットオフ周波数を経て高いカットオフ周波数に移行し、音声信号切換が終了したら、低い（中間の）カットオフ周波数を経て０Ｈｚのカットオフ周波数に戻すようにしてカットオフ周波数の切り換えを行うことができる。

前記実施の形態では可変ローカットフィルタ２２をアナログフィルタで構成したが、ディジタル回路で構成される音声再生系統中に配置する場合はディジタルフィルタで構成することができる。また前記実施の形態では可変ローカットフィルタ２２をこの発明の用途のためだけに設けたが、他の用途で当該位置にフィルタを配置する必要がある場合には、該フィルタを両用途に兼用して、音声信号切換時に該フィルタの特性をこの発明の用途のために一時的に変更して使用することもできる。

前記実施の形態で示した音声再生系統は全体を１つの装置に組み込んで構成するほか、複数の装置に分割して構成することもできる。分割して構成する場合は、例えば図１の音声再生系統において音声ソース１０から音声信号切換手段１２までを１つの装置に組み込み、ローカットフィルタ１４からスピーカ１８までを別の装置に組み込んで、両装置を信号ケーブルで相互に接続して使用することができる。

１２…音声信号切換手段、１４…ローカットフィルタ（可変ローカットフィルタよりも後段側に配置されるローカットフィルタ、後段側のローカットフィルタ）、１８…電気音響変換器（スピーカ）、２０…切換指示手段、２２…可変ローカットフィルタ、２４…制御回路

Claims

音声信号を、信号切り換え動作に伴い出力信号波形に段差を生じさせる音声信号切換手段を経由した後さらに該音声信号の低域を遮断するローカットフィルタを経由して電気音響変換器に供給する回路と、前記音声信号切換手段の切り換えを指示する切換指示手段とを具備する音声再生系統に適用される音声信号切り換えノイズ低減回路であって、
前記音声信号切換手段よりも前段側に配置されたカットオフ周波数が可変の可変ローカットフィルタと、
前記切換指示手段から切換指示が出されていないときは前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を該可変ローカットフィルタよりも後段側に配置される前記ローカットフィルタのカットオフ周波数よりも低くし、前記切換指示が出されたときは前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を該切換指示が出されていないときに比べて高くし、その後該切換指示に応じた前記音声信号切換手段の切り換えを実行し、該音声信号切換手段の切換終了後に前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を前記切換指示が出される前の状態に戻す制御を実行する制御回路と
を具備してなる音声信号切り換えノイズ低減回路。
前記制御回路は、前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数を、前記切換指示手段から切換指示が出されていないときは前記音声信号の全帯域を通過させる値に制御し、前記切換指示が出されたときは該可変ローカットフィルタよりも後段側に配置される前記ローカットフィルタのカットオフ周波数に近似した値に制御する請求項１記載の音声信号切り換えノイズ低減回路。
前記可変ローカットフィルタのカットオフ周波数の変更が、該可変ローカットフィルタの音声信号路にキャパシタを挿入したまま該可変ローカットフィルタの時定数を変更することにより行われる請求項１または２記載の音声信号切り換えノイズ低減回路。
前記音声信号切換手段は音声ソース切換スイッチ、音声信号遮断スイッチ、音声信号の音量を段階的に切り換えるボリュームのいずれかである請求項１から３のいずれか１つに記載の音声信号切り換えノイズ低減回路。