JP5352952B2 - デジタルフィルタ回路、デジタルフィルタプログラムおよびノイズキャンセリングシステム - Google Patents
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Description
ノイズキャンセリングシステムにおいて用いられ、マイクロホンを通じて収音されるノイズ信号の供給を受けて、ノイズを低減させるようにするためのノイズ低減信号を形成するデジタルフィルタ回路であって、前記ノイズ信号の供給を受けて、これをデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、前記アナログ/デジタル変換手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、間引き処理する第1のデジタルフィルタ手段と、前記第1のデジタルフィルタ手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、デジタルノイズ低減信号を形成する演算処理手段と、前記演算処理手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、補間処理する第2のデジタルフィルタ手段と、前記第2のデジタルフィルタ手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、これをアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換手段とを備え、サンプリング周波数は可聴帯域の2倍以上の周波数のものであり、前記第1、第2のデジタルフィルタ手段の一方、あるいは、両方は、前記サンプリング周波数を中心とする−4kHzから+4kHzの範囲においてのみ、−60デシベル以上の減衰量を得られるように構成し、前記アナログ/デジタル変換手段と、前記デジタル/アナログ変換手段とは、シグマ・デルタ方式の変換手段である。
現在、ヘッドホンやイヤホンを対象として外部騒音をアクティブに低減するシステム、所謂ノイズキャンセリングシステムが、普及しはじめている。製品化されているものに関しては、ほとんどがアナログ回路により構成されているものであり、そのノイズキャンセリング手法としては、フィードバック方式とフィードフォワード方式とに大別される。
まず、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムについて説明する。図1(A)は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムが適用されたヘッドホンシステムが、ユーザヘッド(ユーザ(聴取者)の頭部)HDに装着された場合の右チャンネル側の構成を示しており、図1(B)は、当該フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの全体構成を示している。
(1)位相0deg.(0度)の点を通過する時、ゲインは0dB(0デシベル)より小さくなくてはならない。
(2)ゲインが0dB以上である時、位相0deg.の点を含んではいけない。
という(1)、(2)の2つの条件を満たす必要がある。
次に、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムに関して説明する。図2(A)は、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムが適用されたヘッドホンシステムが、ユーザヘッド(ユーザ(聴取者)の頭部)HDに装着された場合の右チャンネル側の構成を示しており、図2(B)は、当該フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの全体構成を示している。
上述のように、フィードバック方式、フィードフォワード方式のアナログ回路により構成されるノイズキャンセリングシステムが実現されているが、デジタル回路により構成できるようにすることが望まれている。以下においては、ノイズキャンセリングシステムシステムのデジタル化の必要性と問題点を具体的に明らかにすると共に、その問題点を解決するこの出願の発明について具体的に説明する。
まず、図1(B)に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおいて、伝達関数(-β)部分であるFBフィルタ回路12をデジタル化することができれば、以下のような(1)〜(4)のメリットを享受することができる。
しかしながら、上述もしたように、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムとして実用化されているのは、FBフィルタ回路12に相当する部分についてアナログアナログ回路で構成されたシステムである。このようなアナログ回路で構成されたFBフィルタ回路12は、ADCや、デジタルフィルタ処理機構(演算処理部)を構成するDSPあるいはCPUや、DACなどを用いることにより、デジタル回路の構成とすることはできる。
そして、上述した問題点の考察を踏まえると、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム内に用いるFBフィルタ回路12で用いられるADC121、DAC123において発生する遅延時間を減らすことによって、FBフィルタ回路12内において発生する位相回転を減らすことができ、これが結果的にFBフィルタ回路12の設計をしやすくすると共に、ノイズ低減効果帯域を増やすことが可能となることが分かる。
まず、FBフィルタ回路12において、ADC121、DAC123において遅延を起こす主要因を明確にする。図10は、FBフィルタ回路12の構成、特に、ADC121とDAC123との構成について説明するためのブロック図である。図11は、直線位相型FIR(Finite Impulse Response)フィルタの係数特性を示す図である。
ここで実際のADC121の間引きフィルタ1213、DAC123の補間フィルタ1231におけるデジタルLPF(Low-pass Filter)の例について説明する。図12は、FIR移動平均フィルタが1段の場合の周波数振幅特性を示す図であり、図13は、FIR移動平均フィルタが3段の場合の周波数振幅特性を示す図である。また、図14は、FIRハミングフィルタが1段の場合の周波数振幅特性を示す図であり、図15は、FIRハミングフィルタが2段の場合の周波数振幅特性を示す図である。
次に、上述したようなデジタルフィルタを内包するADC、DACを、デジタル信号処理を使った実際のノイズキャンセリングヘッドホンシステムに対して適用する場合を考える。
まず、大きな前提として、本発明はヘッドホンシステムへの適用が主眼であるため、最初にヘッドホンの筐体特性によるノイズ遮蔽についても考慮を行う。
次に、フィードバック型のノイズキャンセリングシステムのうち、DSPまたはCPUで構成するデジタルフィルタ部分(β回路)122に着目する。基本的に、フィードバック方式は図9のようなADHM特性にデジタルフィルタ回路(β回路)122の特性を加えて、結果、図4のような形状(特性)を整えサーボシステムを形成することで、ノイズ減衰を行うものである。
図12〜図15のようにエリアシング漏れ特性があってもノイズキャンセリングシステムの構築要素として十分成立する背景としては、対象としているノイズの帯域が4kHz程度とサンプリング周波数Fsに比べれば非常に小さい値であること、そして、Fs/2の周波数が可聴帯域(20kHz)を超えているこが重要な要素としてあげられる。なお、前者の周波数帯域比で言えば、Fs96kHzで1/20以下、Fs48kHzでも1/10以下という数字で小さい。サンプリング周波数Fsが大きければ大きいほどこの比率が小さくなるのは自明である。
ここからは、ADC121、DAC123を内包したノイズキャンセリングシステム全体として、ADC121とDAC123の一方または両方において、上述のように、サンプリング周波数の近傍の所定範囲においてのみ、所望の減衰量が得られるようにされたフィルタを用いる場合における影響について検討する。
以上のことから、主に、ヘッドホン及びヘッドセットを主対象としたノイズキャンセリングシステムにおいて、ノイズを低減させる減衰量、減衰帯域を増やす目的において、システム内のフィードバックループに挿入されたアナログデジタル変換処理装置(ADC、DAC)の一方、または、両方に関して、以下のような条件を満たした低次のFIRフィルタを用いることにより、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムのFBフィルタ回路12をデジタル化することができる。
(A)可聴帯域の2倍以上(およそ40kHz)以上のサンプリング周波数Fsを用いているもの。
(B)変換方式として、シグマ・デルタ(Σ・Δ)方式を用いているもの。
(C)サンプリング周波数をFsとして、およそ(Fs−4kHz)〜(Fs+4kHz)程度に渡った帯域に対して−60dB以上の減衰が確保されているもの。
(D)条件(C)で示した帯域以外の他の帯域に関するエリアシング漏れ成分を認めることで、変換処理装置内部の処理機構で発生する、デジタルフィルタの群遅延を1ms以下に抑えたもの。
を用いるようにすればよい。
(A)可聴帯域の2倍以上(およそ40kHz)以上のサンプリング周波数Fsを用いているもの。
(B)変換方式として、シグマ・デルタ(Σ・Δ)方式を用いているもの。
(C)サンプリング周波数をFsとして、およそ(Fs−4kHz)〜(Fs+4kHz)程度に渡った帯域に対して−60dB以上の減衰が確保されているもの。
(D)条件(C)で示した大域以外の他の帯域に関するエリアシング漏れ成分を認めることで、変換処理装置内部の処理機構で発生する、デジタルフィルタの群遅延を1ms以下に抑えたもの。
を用いるようにすればよい。
また、図10(B)に示したFBフィルタ回路12の内、アナログ信号を処理する非エリアシングフィルタ1211と低域通過フィルタ1233以外の各部分を、DSPやCPUで実行されるプログラムによって実現することもできる。
また、この発明は、例えば、図25、図26に示すノイズキャンセリングシステムのように、フィードバック方式とフィードフォワード方式の双方が成立する形のノイズキャンセリングシステムにおいての同時適用も考えることができる。
するように構成したものである。
Claims (8)
- ノイズキャンセリングシステムにおいて用いられ、マイクロホンを通じて収音されるノイズ信号の供給を受けて、ノイズを低減させるようにするためのノイズ低減信号を形成するデジタルフィルタ回路であって、
前記ノイズ信号の供給を受けて、これをデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、
前記アナログ/デジタル変換手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、間引き処理する第1のデジタルフィルタ手段と、
前記第1のデジタルフィルタ手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、デジタルノイズ低減信号を形成する演算処理手段と、
前記演算処理手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、補間処理する第2のデジタルフィルタ手段と、
前記第2のデジタルフィルタ手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、これをアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換手段と
を備え、
サンプリング周波数は可聴帯域の2倍以上の周波数のものであり、
前記第1、第2のデジタルフィルタ手段の一方、あるいは、両方は、前記サンプリング周波数を中心とする−4kHzから+4kHzの範囲においてのみ、−60デシベル以上の減衰量を得られるように構成し、
前記アナログ/デジタル変換手段と、前記デジタル/アナログ変換手段とは、シグマ・デルタ方式の変換手段である
ノイズキャンセリングシステム用のデジタルフィルタ回路。 - 請求項1に記載のデジタルフィルタ回路であって、
当該デジタルフィルタ回路は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムで用いられるものであり、
前記演算処理手段は、フィードバック制御用のデジタルノイズ低減信号を形成することを特徴とするノイズキャンセリングシステム用のデジタルフィルタ回路。 - 請求項1に記載のデジタルフィルタ回路であって、
当該デジタルフィルタ回路は、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムで用いられるものであり、
前記演算処理手段は、フィードフォワード制御用のデジタルノイズ低減信号を形成することを特徴とするノイズキャンセリングシステム用のデジタルフィルタ回路。 - ノイズキャンセリングシステムにおいて用いられるコンピュータに、
マイクロホンを通じて収音されるノイズ信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換ステップと、
前記アナログ/デジタル変換ステップにおいてデジタル信号に変換されたデジタルノイズ信号の間引き処理を行う第1のデジタルフィルタステップと、
前記第1のデジタルフィルタステップにおいて間引き処理されたデジタルノイズ信号からデジタルノイズ低減信号を形成する演算処理ステップと、
前記演算処理ステップにおいて形成された前記デジタルノイズ低減信号の補間処理を行う第2のデジタルフィルタステップと、
前記第2のデジタルフィルタステップにおいて補間処理された前記デジタルノイズ低減信号をアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換ステップと
を実行させるプログラムであって、
サンプリング周波数は可聴帯域の2倍以上の周波数のものであり、
前記第1、第2のデジタルフィルタ手段の一方、あるいは、両方は、前記サンプリング周波数を中心とする−4kHzから+4kHzの範囲においてのみ、−60デシベル以上の減衰量を得られるようにし、
前記アナログ/デジタル変換ステップと、前記デジタル/アナログ変換ステップにおいては、シグマ・デルタ方式の変換処理を行う
ノイズキャンセリングシステム用のデジタルフィルタプログラム。 - 請求項4に記載のデジタルフィルタプログラムであって、
当該デジタルフィルタプログラムは、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムで用いられるものであり、
前記演算処理ステップにおいては、フィードバック制御用のデジタルノイズ低減信号を形成することを特徴とするノイズキャンセリングシステム用のデジタルフィルタプログラム。 - 請求項4に記載のデジタルフィルタプログラムであって、
当該デジタルフィルタプログラムは、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムで用いられるものであり、
前記演算処理ステップにおいては、フィードフォワード制御用のデジタルノイズ低減信号を形成することを特徴とするノイズキャンセリングシステム用のデジタルフィルタプログラム。 - ユーザの耳部に装着される筐体内部に設けられ、当該筐体内部に漏れ込んでくるノイズ信号を収音するマイクロホンと、
前記マイクロホンで収音された前記ノイズ信号からノイズを低減させるためのノイズ低減信号を形成するデジタルフィルタ回路と、
前記デジタルフィルタ回路において形成された前記ノイズ低減信号を増幅処理する増幅手段と、
前記増幅手段からのノイズ低減信号を当該筐体内部に放音するようにするドライバと
を有するフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムであって、
前記デジタルフィルタ回路は、
前記マイクロホンで収音された前記ノイズ信号の供給を受けて、これをデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、
前記アナログ/デジタル変換手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、間引き処理する第1のデジタルフィルタ手段と、
前記第1のデジタルフィルタ手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、デジタルノイズ低減信号を形成する演算処理手段と、
前記演算処理手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、補間処理する第2のデジタルフィルタ手段と、
前記第2のデジタルフィルタ手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、これをアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換手段と
を備え、
サンプリング周波数は可聴帯域の2倍以上の周波数のものであり、
前記第1、第2のデジタルフィルタ手段の一方、あるいは、両方は、前記サンプリング周波数を中心とする−4kHzから+4kHzの範囲においてのみ、−60デシベル以上の減衰量を得られるように構成し、
前記アナログ/デジタル変換手段と、前記デジタル/アナログ変換手段とは、シグマ・デルタ方式の変換手段である
ノイズキャンセリングシステム。 - ユーザの耳部に装着される筐体外部に設けられ、ノイズ源からのノイズ信号を収音するマイクロホンと、
前記マイクロホンで収音された前記ノイズ信号からノイズを低減させるためのノイズ低減信号を形成するデジタルフィルタ回路と、
前記デジタルフィルタ回路において形成された前記ノイズ低減信号を増幅処理する増幅手段と、
前記増幅手段からのノイズ低減信号を当該筐体内部に放音するようにするドライバと
を有するフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムであって、
前記デジタルフィルタ回路は、
前記マイクロホンで収音された前記ノイズ信号の供給を受けて、これをデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換手段と、
前記アナログ/デジタル変換手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、間引き処理する第1のデジタルフィルタ手段と、
前記第1のデジタルフィルタ手段からのデジタルノイズ信号の供給を受けて、デジタルノイズ低減信号を形成する演算処理手段と、
前記演算処理手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、補間処理する第2のデジタルフィルタ手段と、
前記第2のデジタルフィルタ手段からの前記デジタルノイズ低減信号の供給を受けて、これをアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換手段と
を備え、
サンプリング周波数は可聴帯域の2倍以上の周波数のものであり、
前記第1、第2のデジタルフィルタ手段の一方、あるいは、両方は、前記サンプリング周波数を中心とする−4kHzから+4kHzの範囲においてのみ、−60デシベル以上の減衰量を得られるように構成し、
前記アナログ/デジタル変換手段と、前記デジタル/アナログ変換手段とは、シグマ・デルタ方式の変換手段である
ノイズキャンセリングシステム。
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