JPH0870225A

JPH0870225A - 出力特性設定装置及び係数設定装置

Info

Publication number: JPH0870225A
Application number: JP6202987A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hoshino; 政則星野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-08-05
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】デジタル処理によるダイナミックレンジコン
トロールとして好適な出力特性設定装置及びゲイン係数
を容易な演算で得る係数設定装置の提供。【構成】ミキサー又はリミッタとしては複数入力の加
算信号、もしくは一の入力信号に対してゲイン演算手段
でダイナミックレンジコントロールを行なう。さらに、
ゲイン演算手段での係数特性を入力に応じて多様に制御
することで、エキスパンダとして機能させる。ここで、
ゲイン演算手段に供給するゲイン係数ｇとしては、入力
ｘに対して次式（数３０）で求める。【数３０】ただし、ｋ_n は係数、ｊは係数ｋ_n の最大値
ｋ_max について（１／ｋ_max ）＝２^j が成立する値、Ｃ
_F は（１／２）≦Ｃ_F ＜１が満たされる固定値、ｎは固
定値、Ｍは演算次数、ｘ_F は入力信号値ｘについて（１
／２）≦ｘ_F ＜１を満足するためにｘをシフトさせた
値、ｍは入力信号値ｘをｘ_F とするためのシフト量。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は入力されたデジタル信号
に対して係数演算処理を施して出力することで所定の入
出力特性を得る出力特性設定装置、及び係数演算処理に
用いる係数を得るための係数設定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、オーディオ装置として音声信号を
デジタルデータ形態で記録した記録媒体を用いるものが
多くなり、例えばＣＤプレーヤ、ＤＡＴプレーヤ、ミニ
ディスクプレーヤなどとして普及している。また、カセ
ットテーププレーヤやＡＭ／ＦＭラジオチューナなど、
音声信号をアナログ信号で出力するオーディオソースも
あり、これらが上記のデジタルソースとなる機器部と一
体的に設けられた複合型のオーディオ機器も多い。

【０００３】ここで、音声信号に関する各種処理を一括
してデジタル演算で行なうようにすることによりアナロ
グ信号処理回路を構成する場合に比べて部品点数の削
減、基板面積の縮小などの利点が生ずる。さらに、アナ
ログ信号では困難であったリバーブやコンプレスなどの
音響効果についても、デジタル信号処理では比較的容易
に実現できる。

【０００４】このため、デジタルソースからの音声デー
タはデジタル段階で処理するようにし、また特に上記複
合型の機器などにおいてはアナログソースからの音声信
号を一旦デジタル化し、デジタルソースからの信号と同
様にデジタル信号処理部に供給するように構成すること
が考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
デジタルソース、アナログソースに関わらず各種ソース
からの信号をデジタル信号処理部で処理できるようにす
る場合、デジタル信号処理部としては特に所定の演算語
長に対してオーバーフローやアンダーフローを起こさな
いようにすることが重要になる。即ち、従来アナログ信
号系でＡＧＣ回路などで知られていたダイナミックレン
ジコントロールに相当する処理を実行することが必要に
なる。

【０００６】例えばカラオケ再生音声とマイクロフォン
入力を同時にスピーカ出力させたいような場合には、デ
ジタル信号処理部は、デジタルデータで入力された２系
統の入力をミキシングして出力することになるが、この
とき、ミキシングを行なうために加算した値がオーバー
フローしてしまわないようにすることが必要である。ま
た、１系統の入力の処理であっても、同様にリミッタ処
理などでオーバーフローを防止することが必要となる。
また、さらにエキスパンド処理等を実行することも考え
られる。

【０００７】いづれにしてもデジタル信号処理において
は、まず出力特性の制御が必要になり、このためには図
１２に示すように入力値ｘに応じてゲイン算出部５０で
ゲイン係数ｇを設定し、そのゲイン係数ｇを乗算器５１
で入力値ｘに乗算することで所望の出力特性の出力ｙを
得るようにすることになる。

【０００８】入力値ｘに応じてゲイン係数ｇを得る方式
としては主に次の２つのいづれかが取られてきた。ま
ず、入力に対して対数変換を施した上で所望のゲイン特
性を１次関数などで作り出し、さらにその値を逆対数変
換して得た値をゲイン係数とするものである。もう１つ
は、入力情報に対して所望のゲイン特性が一意に求まる
メモリテーブルを用意し、これを参照してゲイン係数を
定める方式である。

【０００９】対数変換でゲイン係数ｇを得る場合は、ゲ
イン算出部５０として図１３の構成をとることになる。
まず入力ｘを対数変換部５２で対数変換を行ない、出力
ｘ_Gを得る。例えば対数変換部５２では入力値ｘ及び定
数ａ_N を用いて次の（数２）の演算で出力ｘ_G を算出す
る。

【数２】

【００１０】このようにして得られた出力ｘ_G は関数演
算部５３に入力され、関数演算部５３は入力ｘ_G に対し
て例えば次の（数３）のような１次関数演算で出力Ｇを
得る。なお、ｃ，ｄは所定の特性を得るために設定され
る定数である。

【数３】

【００１１】さらに関数演算部４３の出力Ｇは逆対数変
換部５４に供給される。そして逆対数変換部５４では入
力Ｇ及び定数ｂ_N を用いて、例えば次の（数４）の演算
で出力ｇを得る。

【数４】この出力ｇは即ちゲイン係数となり、図１２の乗算器５
１に供給される。

【００１２】ところが、このような方式では、対数変
換、関数演算、逆対数変換という演算処理のためにかな
りの演算量（演算ステップ）が必要となるという問題が
ある。このため、この方式を採用するとデジタル処理に
よる構成の簡易化という所期の目的に反することになっ
てしまう。

【００１３】また、メモリテーブルを設ける方式の場合
は、ゲイン算出部５０として例えばＲＯＭテーブルを備
えることになるが、或る程度分解能を上げるためには、
ＲＯＭなどのメモリ容量としてかなりの記憶領域を確保
しなければならないため、これもデジタル処理による構
成の簡易化という所期の目的に反する。また、逆に構成
の簡易化のためにメモリ領域が制限された場合は、特性
劣化を余儀なくされてしまう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点に鑑みて、デジタル処理によるダイナミックレンジコ
ントロールとして好適な出力特性設定装置を提供すると
ともに、ダイナミックレンジコントロールを行なう係数
演算に用いるゲイン係数を容易な演算で得ることのでき
る係数設定装置を提供することを目的とする。

【００１５】このために、まず複数入力のミキサーとし
て好適な出力特性設定装置として、ミキサ手段と、包絡
線検出手段と、比較手段と、係数設定手段と、係数発生
手段と、選択手段と、ゲイン演算手段とを設ける。そし
てミキサ手段は複数の入力信号を加算して出力するよう
にする。包絡線検出手段は、ミキサ手段の出力について
の包絡線情報を得る。比較手段は、包絡線検出手段の出
力を所定値と比較する。係数設定手段は、包絡線検出手
段の出力に対して関数演算を行なってゲイン係数を得
る。係数発生手段は、固定のゲイン係数を発生させる。
選択手段は、比較手段の比較結果に応じて、係数設定手
段によるゲイン係数と係数発生手段によるゲイン係数の
いづれかを選択して出力する。ゲイン演算手段は、選択
手段から出力されたゲイン係数に基づいてミキサ手段の
出力にゲインを与えて出力する。このように構成して、
係数設定手段によるゲイン係数と係数発生手段によるゲ
イン係数が選択的に用いられて複数の入力信号の混合出
力特性が設定されるようにする。

【００１６】また、リミッタとして好適な出力特性設定
装置として、包絡線検出手段と、比較手段と、係数設定
手段と、係数発生手段と、選択手段と、ゲイン演算手段
とを設ける。そして包絡線検出手段は、入力信号の包絡
線情報を得る。比較手段は、包絡線検出手段の出力を所
定値と比較する。係数設定手段は、包絡線検出手段の出
力に対して関数演算を行なってゲイン係数を得る。係数
発生手段は、固定のゲイン係数を発生させる。選択手段
は、比較手段の比較結果に応じて、係数設定手段による
ゲイン係数と係数発生手段によるゲイン係数のいづれか
を選択して出力する。ゲイン演算手段は、選択手段から
出力されたゲイン係数に基づいて入力信号にゲインを与
えて出力する。このように構成して、係数設定手段によ
るゲイン係数と係数発生手段によるゲイン係数が選択的
に用いられて信号の入出力特性が設定されるようにす
る。

【００１７】また、エキスパンダとして好適な出力特性
設定装置として、包絡線検出手段と、第１，第２の比較
手段と、係数設定手段と、第１，第２の係数発生手段
と、選択手段と、ゲイン演算手段とを設ける。そして、
包絡線検出手段は入力信号の包絡線情報を得る。第１の
比較手段は、包絡線検出手段の出力を第１の所定値と比
較する。第２の比較手段は、包絡線検出手段の出力を第
２の所定値と比較する。係数設定手段係数設定手段は、
包絡線検出手段の出力に対して関数演算を行なってゲイ
ン係数を得る。第１の係数発生手段は第１の固定のゲイ
ン係数を発生させる。第２の係数発生手段は第２の固定
のゲイン係数を発生させる。選択手段は、第１、第２の
比較手段の比較結果に応じて、係数設定手段によるゲイ
ン係数と第１の係数発生手段によるゲイン係数と第２の
係数発生手段によるゲイン係数のいづれかを選択して出
力する。ゲイン演算手段は、選択手段から出力されたゲ
イン係数に基づいて入力信号にゲインを与えて出力す
る。このように構成して、係数設定手段によるゲイン係
数と第１の係数発生手段によるゲイン係数と第２の係数
発生手段によるゲイン係数が選択的に用いられて信号の
入出力特性が設定されるようにする。

【００１８】また入力信号値ｘに応じてゲイン係数ｇを
算出する係数設定装置としては、次の（数５）の関数演
算により入力信号に対するゲイン係数ｇを算出するよう
にする。

【数５】ただし、ｋ_n は係数、ｊは係数ｋ_n の最大値ｋ_max につ
いて（１／ｋ_max ）≧２^j が成立する値、Ｃ_F は（１／
２）≦│Ｃ_F │＜１が満たされる固定値、ｎは固定値、
Ｍは演算次数、ｘ_F は入力信号値ｘについて（１／２）
≦ｘ_F ＜１を満足するためにｘをシフトさせた値、ｍは
入力信号値ｘをｘ_F とするためのシフト量とする。

【００１９】また、上記（数５）の演算を行なう係数設
定装置としては、入力信号値ｘについて（１／２）≦ｘ
_F ＜１を満足するためにｍビットシフトを行ないｘ_F を
得る第１のシフタ手段と、係数ｋ_n を保持するレジスタ
手段と、係数ｋ_n とｘ_F についてＭ次の演算を実行する
ために１又は複数の加算、及び１又は複数の乗算を行な
う演算手段と、演算手段の出力に対して（ｍ＋固定値）
ビットシフトを行ない、ゲイン係数ｇを出力する第２の
シフタ手段とを設ける。

【００２０】

【作用】上記構成の出力特性設定装置により、デジタル
信号処理によるオーバーフローを解消することができ
る。即ち、複数入力の加算信号に対してゲイン演算手段
でダイナミックレンジコントロールを行なうことで、出
力がオーバーフローしないミキサーを提供できる。ま
た、同様に入力に対してゲイン演算手段でダイナミック
レンジコントロールを行なうことで、大入力レベルに対
するリミッタとして機能する。さらに、ゲイン演算手段
での係数特性を入力に応じて多様に制御することで、エ
キスパンダとして機能する。そして、ゲイン演算手段に
供給するゲイン係数としては、上記の係数設定装置によ
り簡易な演算処理で得られるため、構成の簡易化も実現
できる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明についての実施例として以下の
順序で説明する。１．本発明を採用したオーディオ機器としての要部の構
成２．デジタル処理によるミキサー３．デジタル処理によるリミッタ４．デジタル処理によるエキスパンダ５．ゲイン係数設定装置

【００２２】＜１．本発明を採用したオーディオ機器と
しての要部の構成＞図１は実施例の出力特性設定装置及
び係数設定装置を搭載したオーディオ機器の要部のブロ
ック図である。この図において、ＩＮ₁ 〜ＩＮ_n は各種
音声信号ソースからのデジタル音声信号（ＤＳ₁ 〜ＤＳ
_n ）の入力端子である。各種音声信号ソースとはＣＤプ
レーヤ部、ミニディスクプレーヤ部、カセットテーププ
レーヤ部、ラジオチューナ部、マイクロフォン入力部等
が相当し、これらはこの図１のオーディオ機器内に一体
的に備えられているものであっても、また外部機器とし
て接続されて音声信号が供給される形態であってもよ
い。

【００２３】これらの音声信号ソースとしてはデジタル
データとして音声信号を供給できるものと、アナログ音
声信号ソースとされるものがある。例えばＣＤプレーヤ
部、ミニディスクプレーヤ部などでは再生信号をデジタ
ルデータ形態で出力できるため、それが入力端子ＩＮ₁
〜ＩＮ_n のいづれかに供給される。また、カセットテー
ププレーヤやラジオチューナ、マイクロフォン入力部な
どのアナログ音声信号ソースからの音声信号は、そのソ
ースから出力されたアナログ音声信号がＡ／Ｄ変換器に
よってデジタルデータ形態に変換された後、入力端子Ｉ
Ｎ₁ 〜ＩＮ_n のいづれかに供給されることになる。

【００２４】入力端子ＩＮ₁ 〜ＩＮ_n の前後におけるデ
ジタルデータの転送方式としては、いわゆる３線式の転
送方式やデジタルオーディオインターフェースの転送方
式など各種形態があるが、いづれであってもよい。３線
式の転送方式の場合は、ＬＲＣＫといわれるサンプリン
グ周波数ｆ_S の周期を持つ信号と、ＢＣＫといわれる
（３２〜６４）×ｆ_S の周期を持つ信号と、実際の音声
データとが伝送されることになる。

【００２５】１，２はセレクタであり、いづれも入力端
子ＩＮ₁ 〜ＩＮ_n に供給されるデジタル音声信号（ＤＳ
₁ 〜ＤＳ_n ）のうちから１つを選択して出力することが
できるようになされている。セレクタ１の出力は信号ｘ
₁ としてＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）３に入
力される。またセレクタ２の出力は信号ｘ₂ としてＤＳ
Ｐ３に入力される。

【００２６】なお、この実施例の場合、ＤＳＰ３は信号
ｘ₁ ，ｘ₂ として２系統の入力が可能とされているもの
とする。ただし、２系統以上の入力が可能とされるのは
後述するデジタル処理によるミキサーとしての機能をＤ
ＳＰ３が有する場合に必要なものであり、リミッタ、エ
キスパンダ等の機能についてはＤＳＰ３は１系統入力で
あっても構わない。また、ＤＳＰとしての実際のＩＣで
は、セレクタ１，２の動作についても内部処理を行うこ
とができ、つまり図面上のセレクタ１，２及びＤＳＰ３
のブロックが１チップで構成できる。

【００２７】信号ｘ₁ ，ｘ₂ の両方又は一方はＤＳＰ３
で所定の信号処理が施され、Ｄ／Ａ変換器４に出力され
る。Ｄ／Ａ変換器４はＤＳＰ３の出力をアナログ化す
る。このアナログ音声信号はパワーアンプ５に供給され
て増幅されスピーカ６から音声出力される。

【００２８】７はマイクロコンピュータにより構成され
るコントローラである。このコントローラ７はセレクタ
１，２の切換制御やＤＳＰ３で実行される各種処理の制
御を行なう。

【００２９】＜２．デジタル処理によるミキサー＞例え
ばこのような構成を有するオーディオ機器において、Ｄ
ＳＰ３が信号ｘ₁，ｘ₂ のミキサーとして機能する場合
の構成を図２に示す。なお、ＤＳＰ３での信号処理とし
ては、いわゆる音響エフェクト処理としてエコー、リバ
ーブ、イコライジングなど各種の処理が実行されること
があるが、以下、ミキサー、リミッター、エキスパンダ
として説明する実施例においては、これらの音響効果に
ついての説明は省略する。

【００３０】図２において３１ａ，３１ｂはＤＳＰ３の
入力部であり上述したように２系統の信号ｘ₁ ，ｘ₂ が
入力される。なお、ＤＳＰ３の入力は、説明上２系統と
しているもので、３系統以上の入力が可能とされるもの
であってもよい。

【００３１】複数の入力信号ｘ₁ 〜ｘ_n の最大振幅値を
｜ｘ_Mn｜、各入力信号ｘ₁ 〜ｘ_n に対するアッテネート
量をＡＴＴ_n とすると、全入力の加算値のとる最大値
は、

【数６】となる。ＤＳＰ３では、この値までをオーバーフローす
ることなく処理できる能力が要求される。このために、
デジタル処理によるミキサーとして本実施例では図２の
構成がとられている。以下、入力を２系統（ｘ₁ ，ｘ
₂ ）として説明を進める。

【００３２】３２ａはアッテネータであり、信号ｘ₁ に
対して減衰処理を行なうことができる。また３２ｂは信
号ｘ₂ に対して減衰処理を行なうことのできるアッテネ
ータである。３３は加算器であり、アッテネータ３２
ａ，３２ｂの出力を加算して出力する。加算出力をｘ_M
とする。３４は加算出力ｘ_M とゲイン係数ｇを乗算する
乗算器であり、加算出力ｘ_M は乗算器３４でゲイン係数
ｇによるゲインが与えられて出力され、増幅部３５を介
して出力端子３６に供給される。出力端子３６の出力ｙ
は、リバーブ等の音響処理が施された後、もしくは直接
図１のＤ／Ａ変換器４に供給されることになる。

【００３３】ここで、

【数７】と定義すれば、Ｄ／Ａ変換器４における変換可能範囲｜
ｘ_DAC ｜については、

【数８】であり、ＤＳＰ３の出力ｙについて、Ｙ＝２０log ｙ
（ｄＢ）として考えて、このＹの値が（数８）を満足し
なければならない。ところが、加算器３３の加算出力ｘ
_M は、

【数９】（ただし、ｘ_M1は入力ｘ₁ の最大振幅値、ｘ_M2は入力ｘ
₂ の最大振幅値、ＡＴＴ₁ ≦１、ＡＴＴ₂ ≦１）とな
り、これをそのまま出力ＹとしてもＤ／Ａ変換器４での
変換が正しく行なわれないことになる。

【００３４】そこで、本実施例では乗算器３４における
演算処理によって、図３（ａ）のように加算出力ｘ_M が
０ｄＢ以上となった場合に出力Ｙを０ｄＢにリミットす
るような出力特性を得るようにしている。

【００３５】このための構成として、まず絶対値検出部
３７が設けられ、加算出力ｘ_M が供給されて絶対値検出
が行なわれる。３８は包絡線検出部であり、絶対値検出
部３７によって加算出力ｘ_M が絶対値化された信号が供
給される。そして包絡線検出部３８でエンベロープ検波
がなされ、エンベロープ信号ｘ_e が出力される。

【００３６】３９はゲイン算出部であり、入力されたエ
ンベロープ信号ｘ_e に基づいて後述する関数演算でゲイ
ン係数を算出する。４０はゲイン発生部であり固定のゲ
イン係数を発生させる。４１は比較器であり、エンベロ
ープ信号ｘ_e と基準値ｘ_thを比較する。４２はスイッチ
部であり、ゲイン算出部３９で算出されたゲイン係数が
端子４２ａに、またゲイン発生部４０からのゲイン係数
が端子４２ｂに供給されている。そして、接続端子４２
ａ，４２ｂの切り換えは、比較器４１の出力に応じて制
御される。このスイッチ部４２の出力が乗算器３４に対
してゲイン係数ｇとして供給されることになる。

【００３７】これらの、包絡線検出部３８からスイッチ
部４２までの各部によって、図３（ｂ）のようなゲイン
Ｇ（ただしＧ＝２０log ｇ，Ｘ_M ＝２０log ｘ_M ）につ
いてゲイン特性を得ることにより、乗算器３４の出力と
して図３（ａ）の出力特性を実現する。

【００３８】ゲイン算出部３９ではＧ＝−Ｘ_e の演算で
ゲイン係数を算出するものであり、これはつまり、ゲイ
ンｇを、ｇ＝１／ｘ_e の関数演算で得るものである。こ
の関数演算については後述するが、多項式によって近似
することができ、演算量は対数変換、逆対数変換を行な
う従来方式よりかなり少ないものとなる。またゲイン発
生部４０では固定のゲイン係数としてＧ＝０、つまりｇ
＝１というゲイン係数を出力する。

【００３９】そして、比較器４１に対する基準値ｘ_thと
しては０ｄＢに相当する値となり、比較結果がＸ_e ＜０
ｄＢの場合は、スイッチ部４２で端子４２ｂが接続さ
れ、またＸ_e ≧０ｄＢの場合は、スイッチ部４２で端子
４２ａが接続される。即ち、乗算器３４に供給されるゲ
イン係数ｇとしては、加算出力ｘ_M について０ｄＢ以下
の場合はゲイン係数ｇ＝１とされ、また加算出力ｘ_M が
０ｄＢをこえる場合は、ゲイン算出部３９で加算出力ｘ
_M に応じて算出されたゲイン係数ｇが供給されることに
なる。つまり図３（ｂ）のゲイン特性となる。

【００４０】これによって図３（ａ）の出力特性を得る
ことができ、従って本実施例では出力にオーバーフロー
を発生させないミキサーとして実現される。また、この
場合、出力ｙに対して単純に或るレベル以上をクリップ
するものではないため、信号波形が大きく変形されてし
まうことはなく、音質的にも好適である。

【００４１】なおゲイン算出に際して、加算出力ｘ_M を
直接用いず、エンベロープ信号ｘ_eをゲイン算出部３９
の入力パラメータとして用いるようにしたのは次の理由
による。加算出力ｘ_M を直接用いると、加算出力ｘ_M が
急激な変化をした場合に、それに応じてゲイン係数ｇも
急激に変化してしまう。この場合、出力ｙについてスピ
ーカ６から出力される音声は、非常に違和感を感じさせ
るものとなる。これを防止するためエンベロープ信号ｘ
_e を用い、つまり急激なレベル変化の影響をキャンセル
するようにしている。

【００４２】なお、２系統の入力のミキサーとして説明
したが、もちろん３系統以上の入力に対するミキサーと
して適用することも可能である。

【００４３】＜３．デジタル処理によるリミッタ＞次
に、図１のようなオーディオ機器において、ＤＳＰ３が
入力信号に対するリミッタとして機能する場合の構成を
図４に示す。なお、図４において図２と同様の機能部位
は同一符号を付し、説明を省略する。３１は入力端子で
あり、図２における入力端子３１ａ，３１ｂに相当す
る。ただし、１系統の入力に対応するものとし、図１の
ようにＤＳＰ３が２系統の入力対応とされている場合
は、図２における一方のアッテネータ（３２ａ又は３２
ｂ）が一方の入力信号（ｘ₁ 又はｘ₂ ）をゼロレベルま
で減衰させていると考えればよい。もちろんＤＳＰ３が
１系統入力とされる場合は、３１はＤＳＰ３自体の入力
端子となる。

【００４４】即ち、この図４では、図２の構成からミキ
サー部位を除いた構成となる。入力信号ｘは、乗算器３
４に供給されてゲイン係数ｇと乗算され、増幅部３５を
介して出力端子３６からの出力ｙとされる。そしてゲイ
ン係数ｇを得るために、入力信号ｘは絶対値検出部３
７、包絡線検出部３８を介してエンベロープ信号ｘ_e と
され、ゲイン算出部３９に供給される。

【００４５】また、エンベロープ信号ｘ_e は比較器４１
に供給され、基準値ｘ_thと比較される。そして、その比
較結果によりスイッチ部４２の端子４２ａ，４２ｂが切
り換えられ、ゲイン発生部４０からのゲイン係数又はゲ
イン算出部３９で算出されたゲイン係数が乗算器３４に
供給されることになる。

【００４６】今、入力ｘから出力ｙへの伝達関数が１
（ｙ＝ｘ）の場合、入出力特性は図５（ａ）のようにな
る。これに対して、図５（ｂ）のような入出力特性を得
たいとすると、ゲイン係数ｇとして図５（ｃ）のような
特性を得るようにする。そして乗算器３４で、このゲイ
ン係数ｇと入力信号ｘを乗じて図５（ｂ）の破線で示す
ような入出力特性を得、これを実線のレベルまで調整
（ゲインアップ）すればよい。

【００４７】図５（ｃ）のゲイン特性を得るためには、
上記ミキサーとしての実施例と同様に、ゲイン係数ｇは
入力信号ｘ（エンベロープ信号ｘ_e ）のレベルによって
固定の値を使用する場合と、エンベロープ信号ｘ_e を用
いた関数演算で算出した値を用いる場合を切り換えるこ
とになる。つまり、エンベロープ信号ｘ_e と基準値ｘ_th
の比較結果によりゲイン発生部４０とゲイン算出部３９
の一方が選択される。

【００４８】或る設定された基準値ｘ_th、エンベロープ
信号ｘ_e について対数領域でＸ_th、Ｘ_e であらわすと
（Ｘ_e ＝２０log ｘ_e 、Ｘ_th＝２０log ｘ_th）、Ｘ_e ≧
Ｘ_thの場合は、ゲイン算出部３９で算出されたゲインｇ
が乗算器３４に供給される。このとき、

【数１０】となり、このように算出されたゲイン係数ｇが用いられ
る。

【００４９】またＸ_e ＜Ｘ_thの場合は、ゲイン発生部４
０で算出されたゲインｇが乗算器３４に供給される。こ
のとき、

【数１１】つまりゲイン発生部４０から出力されるｇ＝１の固定の
ゲイン係数が用いられる。以上のように、ゲインｇが乗
算器３４に供給されることで、図５（ｂ）のような入出
力特性を得ることができる。

【００５０】以上はＸ_e ≧Ｘ_thの場合のゲイン特性が傾
き−１となる例である。ここで、ゲイン算出部３９のゲ
イン算出動作については後述するが、ゲイン算出動作が
関数ｆ(x_e)を多項式で近似する処理であるため、例えば
図６（ｂ）のようなゲイン特性を得、図６（ａ）のよう
な入出力特性を実現することもでき、入出力特性の設定
は各種柔軟に行なうことができる。この図６の場合で
は、Ｘ_e ≧Ｘ_thのとき、

【数１２】となり、またＸ_e ＜Ｘ_thのときは、上記（数１１）によ
り同様にｇ＝１となる。

【００５１】＜４．デジタル処理によるエキスパンダ＞
次に、図１のようなオーディオ機器において、ＤＳＰ３
が入力信号に対するエキスパンダとして機能する場合の
構成を図７に示す。なお、図７において図２、図４と同
様の機能部位は同一符号を付し説明を省略する。

【００５２】入力端子３１からの入力信号ｘは、乗算器
３４に供給されてゲイン係数ｇと乗算され、増幅部３５
を介して出力端子３６からの出力ｙとされる。そしてゲ
イン係数ｇを得るために、入力信号ｘは絶対値検出部３
７、包絡線検出部３８を介してエンベロープ信号ｘ_e と
され、ゲイン算出部３９に供給される。また、エンベロ
ープ信号ｘ_e は比較器４１と比較器４４に供給される。
比較器４１では基準値ｘ_thとエンベロープ信号ｘ_e の比
較がされ、また比較器４４では設定最小値ｘ_min とエン
ベロープ信号ｘ_e の比較がされる。

【００５３】また、ゲイン発生部４０のほかに固定のゲ
イン係数を発生させるゲイン発生部４３が設けられる。
このゲイン発生部４３からのゲイン係数ｇはスイッチ部
４２の端子４２ｃに供給されており、そのゲイン係数ｇ
＝０とされる。スイッチ部４２の端子４２ａ，４２ｂ，
４２ｃの切り換えは、比較器４１，４４の各比較結果に
応じて実行され、ゲイン発生部４０からのゲイン係数、
又はゲイン発生部４３からのゲイン係数、又はゲイン算
出部３９で算出されたゲイン係数が選択的に乗算器３４
に供給されることになる。

【００５４】この構成により、例えば図８（ｂ）のよう
なゲイン特性を得、図８（ａ）のような入出力特性を実
現することができる。なお、図８においてＸ_e ＝２０lo
g ｘ_e 、Ｘ_th＝２０log ｘ_th、Ｘ_min ＝２０log ｘ_min
である。

【００５５】まず、比較器４１によりＸ_e ≧Ｘ_thの結果
が出力された場合は、入出力としてリニアな特性を得た
い領域であるため、スイッチ部４２では端子４２ｂが選
択され、ゲイン発生部４０からのゲイン係数ｇ＝１が乗
算器３４に供給される。

【００５６】また、比較器４４によりＸ_e ＜Ｘ_min の結
果が出力された場合は、スイッチ部４２では端子４２ｃ
が選択され、ゲイン発生部４３からのゲイン係数ｇ＝０
が乗算器３４に供給される。デジタル演算処理における
演算語長が１６ビットであれば、出力Ｙが−９６ｄＢよ
り小さくなればアンダーフローとなってしまうが、Ｘ_e
＜Ｘ_min の領域とは出力Ｙが−９６ｄＢより小さくなる
領域であり、この場合、入力Ｘについて強制的にゲイン
係数ｇ＝０とし、アンダーフローを防止するものであ
る。

【００５７】さらに、比較器４１，４４の出力からＸ_th
＞Ｘ_e ≧Ｘ_min の結果が検出された場合は、スイッチ部
４２では端子４２ａが選択され、ゲイン算出部３９で算
出されたゲイン係数ｇが乗算器３４に供給される。

【００５８】この場合、Ｘ_th＞Ｘ_e ≧Ｘ_min の領域の入
出力特性の直線は、Ｘ＝Ｙ＝Ｘ_th、傾きをｍとすると、

【数１３】となり、この入出力特性を得るためのゲイン特性の関数
式をＧ＝ＡＸ＋Ｂとすると、Ｙ＝Ｘ＋Ｇより、Ｙ＝（１
＋Ａ）Ｘ＋Ｂを導くことができる。

【００５９】そして（数１３）より、Ａ＝ｍ−１，Ｂ＝
Ｘ_th（１−ｍ）であるため、ゲイン係数ｇについては次
の（数１４）により導くことができる。ただし、この
（数１４）においてＧ＝２０log ｇ、Ｘ＝２０log ｘ、
Ｘ_th（１−ｍ）＝２０log ｃとする。

【数１４】従って、この（数１４）内のゲイン係数ｇの演算がゲイ
ン算出部３９によってなされることにより、Ｘ_th＞Ｘ_e
≧Ｘ_min の領域での入出力特性を図８（ａ）のように設
定することができる。

【００６０】＜５．ゲイン係数設定装置＞以上のように
ミキサー、リミッタ、エキスパンダとしてＤＳＰ３の処
理を実行させる例に付いて述べたが、次に、これらの構
成におけるゲイン算出部３９として機能するゲイン係数
設定装置について説明する。

【００６１】今、図１０のゲイン特性において、ｘ≧ｘ
_thの領域における特性となるゲインカーブについて考
える。Ｃ_G をゲインカーブのＧ軸切片とすると、ゲイ
ンカーブは、

【数１５】となる。

【００６２】この対数領域による式を線形領域で表現す
るためにＧ＝２０log ｇ、Ｘ＝２０log ｘ、Ｃ_G ＝２０
log ｃとすると（数１５）は、

【数１６】となり、従って、

【数１７】となる。なお、Ｃは、

【数１８】である。

【００６３】従って、

【数１９】を多項式近似でもとめることにより、ｇ＝Ｃ・ｇ’でゲ
インを求めることができる。

【００６４】ここで、（数１９）の近似も同様に近似で
きるため、ｇ＝（１／ｘ）を取り上げて多項式近似の説
明をする。まずｘについて次のように定義する。

【数２０】すると、ｇ＝（１／ｘ）については、

【数２１】となる。ここで、ｇ_F ＝（１／ｘ_F ）とし、また近似の
一般的制約からｘ_F については、（１／２）≦ｘ_F ＜１
という条件が生ずる。

【００６５】用いる近似多項式は、−１＜ｗ＜１のと
き、

【数２２】である。近似多項式にあてはめるために、図１１のよう
に、

【数２３】とする。

【００６６】ｇ_F ＝（１／ｘ_F ）であり、またｇは、

【数２４】より、次の（数２５）を導くことができる。

【数２５】

【００６７】この（数２５）における（イ）〜（チ）の
各式は次のように導かれる。（ロ）式・・・・（イ）式を有限次数で打ち切り、ｗのべき
乗の係数ａ_n に直す（ハ）式・・・・近似精度を上げるためにチェビチェフ(Che
bychev) 多項式化する（ニ）式・・・・さらに次数を下げる（ホ）式・・・・再びｗのべき乗の係数に戻す（ヘ）式・・・・ｘ_F べき級数に直す（ト）式・・・・ｋ_n'を正規化するここで、ｋ_n'＝２^j ・ｋ_n であり、ｋ_n'を１で正規化し
た場合｜Ｋ_n ｜≦１である。ｊは係数ｋ_n の最大値ｋ
_max で正規化した値であり、

【数２６】が満たされる値となる。ｋ_n'を１で正規化する場合は、
ｊ＝５である（２⁵ ＝３２）。なお、この場合ｊについ
ては２^j ≧（ｋ_n'の最大値）＞２^j-1 を満たし、またｊ
＝５が算出された条件としてはｇ_F ＝（１／ｘ_F ）で次
数Ｍ＝５を前提としている。このｊを用いて（チ）式が
導かれる。そして（数２５）から、

【数２７】が得られる。

【００６８】ここで、ｇ＝Ｃｇ’であり、またＣ＝２^-n
・Ｃ_F 、（１／２）≦｜Ｃ_F ｜＜１とすると、

【数２８】となる。

【００６９】即ち、本実施例のゲイン係数設定装置は、
（数２８）の演算でゲイン係数ｇを求めることで、入力
に応じたゲイン係数ｇを近似多項式と定数の乗算で求め
ることができ、従来の方式である対数変換、関数演算、
逆対数変換を行なっていくことに比べて、処理演算量は
大幅に軽減され、またＤＳＰ内でのアルゴリズムの簡便
性が増す。そして上述したミキサー、リミッタ、エキス
パンダ等としてのＤＳＰ３に搭載されるゲイン算出部３
９としても非常に好適なものとなる。

【００７０】以下、（数２８）の方式に基づいてゲイン
係数ｇを得るゲイン係数設定装置の構成を図９で説明す
る。（数２８）において、『ｊ』『ｎ』『Ｃ_F』及びｋ
_n 即ち『ｋ₀ 』『ｋ₁ 』・・・・『ｋ_n 』の値は、ゲインカ
ーブを設計する段階で固定される値である。またｍは入
力ｘに応じて変化する値である。さらにＭは演算次数で
ある。

【００７１】そこで、（ｊ−ｎ）＝ｍ_f とし、また演算
ステップ削減の意味からＫ_n ＝Ｃ_F・ｋ_n とすると、演
算次数Ｍ＝５の場合、ゲイン係数ｇの算出演算は次の
（数２９）のようになる。

【数２９】

【００７２】そして、この（数２９）の演算を実行する
ブロックは図９のようになる。１１は入力信号ｘの入力
端子、１２はバレルシフタ、１３はテンポラリレジスタ
である。なお、このゲイン係数設定装置が上記図２、図
４、図７におけるゲイン算出部３９として用いられる場
合、入力信号ｘとはエンベーロープ情報ｘ_e となる。

【００７３】バレルシフタ１２はいわゆるリニア−フロ
ート変換を行なうもので、入力ｘについてｍビットのシ
フトを行なうことで、入力信号ｘについて上述した（数
２０）のように定義した場合に、ｘ_F が（１／２）≦ｘ
_F ＜１の条件を満たすようにするものである。そして、
そのシフト結果のｘ_F を出力するとともに、ｍビットシ
フト動作におけるｍの値をテンポラリレジスタ１３に供
給して記憶させる。

【００７４】１４₀ 〜１４₄ はそれぞれ係数Ｋ₀ 〜Ｋ₄
を保持するレジスタである。また１５ａ〜１５ｄは乗算
器、１６ａ〜１６ｄは加算器である。各部の出力は以下
のとおりである。

【００７５】バレルシフタ１２の出力ｘ_F とレジスタ１
４₄ からの係数Ｋ₄ が供給される乗算器１５ａの出力は
（ｘ_F Ｋ₄ ）となる。乗算器１５ａの出力（ｘ_F Ｋ₄ ）
とレジスタ１４₃ からの係数Ｋ₃ が供給される加算器１
６ａの出力は（Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ）となる。

【００７６】バレルシフタ１２の出力ｘ_F と加算器１６
ａの出力（Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ）が供給される乗算器１５ｂ
の出力は（ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ））となる。乗算器１
５ｂの出力（ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ））とレジスタ１４
₂ からの係数Ｋ₂ が供給される加算器１６ｂの出力は
（Ｋ₂ ＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ））となる。

【００７７】バレルシフタ１２の出力ｘ_F と加算器１６
ｂの出力（Ｋ₂ ＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_FＫ₄ ））が供給され
る乗算器１５ｃの出力は（ｘ_F （Ｋ₂ ＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ
_F Ｋ₄ ）））となる。乗算器１５ｃの出力（ｘ_F （Ｋ₂
＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ）））とレジスタ１４₁ からの
係数Ｋ₁ が供給される加算器１６ｃの出力は（Ｋ₁ ＋ｘ
_F （Ｋ₂ ＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ）））となる。

【００７８】バレルシフタ１２の出力ｘ_F と加算器１６
ｃの出力（Ｋ₁ ＋ｘ_F （Ｋ₂ ＋ｘ_F（Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ
₄ ）））が供給される乗算器１５ｄの出力は（ｘ_F （Ｋ
₁ ＋ｘ_F（Ｋ₂ ＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ）））となる。
そして、乗算器１５ｄの出力（ｘ_F （Ｋ₁ ＋ｘ_F （Ｋ₂
＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ_F Ｋ₄ ）））ととレジスタ１４₀ から
の係数Ｋ₀ が供給される加算器１６ｄの出力ｇ_P は、ｇ
_P ＝（Ｋ₀ ＋ｘ_F （Ｋ₁ ＋ｘ_F （Ｋ₂ ＋ｘ_F （Ｋ₃ ＋ｘ
_F Ｋ₄ ））））となる。

【００７９】上記した（数２９）からわかるように、ゲ
イン係数ｇはこのｇ_P に２^m+mfを乗じることで得られ
る。１９はバレルシフタであり、ｇ_P と２^m+mfの乗算は
このバレルシフタ１９におけるビットシフト動作で行な
われる。

【００８０】ここで、上記のようにｍ_f ＝（ｌ−ｎ）と
しており、このｍ_f の値は固定値であって、レジスタ１
７に保持されている。テンポラリレジスタ１３に保持さ
れていたｍとレジスタ１７に保持されているｍ_f は加算
器１８において加算され、Ｓ（＝ｍ＋ｍ_f ）としてバレ
ルシフタ１９に供給される。

【００８１】そして、バレルシフタ１９において加算器
１６ｄの出力ｇ_P がＳビットシフトされる。これは即
ち、ｇ＝２^m+mf・ｇ_P の演算となり、出力端子２０にお
いてゲイン係数ｇが得られることになる。

【００８２】以上のように、この係数設定装置では、か
なり少ない演算量で、またＲＯＭテーブル等を必要とせ
ずに、入力ｘに応じたゲイン係数ｇを得ることができ
る。そして、この係数設定装置が上述したミキサー、リ
ミッター、エキスパンダ等におけるゲイン算出部３９と
して用いられることで、ＤＳＰ３における演算処理負
担、ハード構成負担を非常に軽減することができる。

【００８３】なお、この係数設定装置は演算次数Ｍ＝５
の場合であり、演算次数を変更すれば、それに応じて構
成は変化することはいうまでもない。つまり、レジスタ
１４₀ 〜１４₄ 、乗算器１５ａ〜１５ｄ、加算器１６ａ
〜１６ｄの部位における演算段数が増減するものとな
る。

【００８４】なお、出力特性設定装置の実施例として
は、その具体例としてミキサー、リミッター、エキスパ
ンダを上げたが、ゲイン特性を各種設定することで他の
信号処理装置として応用できる。例えば入力信号のコン
プレッサとして実現できる。また入力信号の帯域を制限
してコンプレッサを通したものを原入力信号と加算する
構成とすればいわゆるバスブースト装置としても実現で
きる。さらに、ノイズゲートにも利用でき、つまり本発
明はいわゆるダイナミックレンジコントロールを行なう
装置として有効なものとなる。そして、それらにおいて
ゲイン係数の設定に上述した係数設定装置を採用するこ
とで、構成の簡易化、デジタル処理負担の軽減を実現で
きる。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の出力特性設
定装置では、デジタル演算語調に対してオーバーフロ
ー、アンダーフローを発生させないようにダイナミック
レンジコントロールを行なうことができ、ミキサー、リ
ミッター、エキスパンダ等の装置として適用して好適で
あり、また、これにより音質の向上という効果を得るこ
とができる。

【００８６】さらに本発明の係数設定装置により、ダイ
ナミックレンジコントロールのための係数算出処理負担
は著しく軽減され、またハード的な構成も簡易化される
という効果があり、各種音響機器などに非常に好適なも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したオーディオ装置のブロック図
である。

【図２】本発明の出力特性設定装置のミキサーとしての
実施例のブロック図である。

【図３】ミキサーとしての実施例の出力特性及びゲイン
特性の説明図である。

【図４】本発明の出力特性設定装置のリミッタとしての
実施例のブロック図である。

【図５】リミッタとしての実施例の出力特性及びゲイン
特性の説明図である。

【図６】リミッタとしての実施例の他の出力特性及びゲ
イン特性の説明図である。

【図７】本発明の出力特性設定装置のエキスパンダとし
ての実施例のブロック図である。

【図８】エキスパンダとしての実施例の出力特性及びゲ
イン特性の説明図である。

【図９】本発明の係数設定装置の実施例のブロック図で
ある。

【図１０】実施例の係数設定装置によるゲイン特性設定
動作の説明図である。

【図１１】実施例の係数設定装置による多項式近似に用
いる式の説明図である。

【図１２】従来のダイナミックレンジコントロール方式
の説明図である。

【図１３】従来の係数設定装置の説明図である。

【符号の説明】

３ＤＳＰ４Ａ／Ｄ変換器１１入力端子１２，１９バレルシフタ１３テンポラリレジスタ１４₁ 〜１４₄ レジスタ１５ａ〜１５ｄ乗算器１６ａ〜１６ｄ加算器１７レジスタ１８加算器２０出力端子３１，３１ａ，３１ｂ入力端子３２ａ，３２ｂアッテネータ３３加算器３４乗算器３５増幅部３６出力端子３７絶対値検出部３８包絡線検出部３９ゲイン算出部４０，４３ゲイン発生部４１，４４比較器４２スイッチ部

【数３０】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の入力信号に対するミキサ手段と、前記ミキサ手段の出力についての包絡線情報を得る包絡
線検出手段と、前記包絡線検出手段の出力を所定値と比較する比較手段
と、前記包絡線検出手段の出力に対して関数演算を行なって
ゲイン係数を得る係数設定手段と、固定のゲイン係数を発生させる係数発生手段と、前記比較手段の比較結果に応じて、前記係数設定手段に
よるゲイン係数と前記係数発生手段によるゲイン係数の
いづれかを選択して出力する選択手段と、前記選択手段から出力されたゲイン係数に基づいて前記
ミキサ手段の出力にゲインを与えて出力するゲイン演算
手段とを有し、前記係数設定手段によるゲイン係数と前記係数発生手段
によるゲイン係数により複数の入力信号の混合出力特性
が設定されることを特徴とする出力特性設定装置。
【請求項２】入力信号の包絡線情報を得る包絡線検出
手段と、前記包絡線検出手段の出力を所定値と比較する比較手段
と、前記包絡線検出手段の出力に対して関数演算を行なって
ゲイン係数を得る係数設定手段と、固定のゲイン係数を発生させる係数発生手段と、前記比較手段の比較結果に応じて、前記係数設定手段に
よるゲイン係数と前記係数発生手段によるゲイン係数の
いづれかを選択して出力する選択手段と、前記選択手段から出力されたゲイン係数に基づいて入力
信号にゲインを与えて出力するゲイン演算手段とを有
し、前記係数設定手段によるゲイン係数と前記係数発生手段
によるゲイン係数により入出力特性が設定されることを
特徴とする出力特性設定装置。
【請求項３】入力信号の包絡線情報を得る包絡線検出
手段と、前記包絡線検出手段の出力を第１の所定値と比較する第
１の比較手段と、前記包絡線検出手段の出力を第２の所定値と比較する第
２の比較手段と、前記包絡線検出手段の出力に対して関数演算を行なって
ゲイン係数を得る係数設定手段と、第１の固定のゲイン係数を発生させる第１の係数発生手
段と、第２の固定のゲイン係数を発生させる第２の係数発生手
段と、前記第１、第２の比較手段の比較結果に応じて、前記係
数設定手段によるゲイン係数と前記第１の係数発生手段
によるゲイン係数と第２の係数発生手段によるゲイン係
数のいづれかを選択して出力する選択手段と、前記選択手段から出力されたゲイン係数に基づいて入力
信号にゲインを与えて出力するゲイン演算手段とを有
し、前記係数設定手段によるゲイン係数と前記第１の係数発
生手段によるゲイン係数と前記第２の係数発生手段によ
るゲイン係数により入出力特性が設定されることを特徴
とする出力特性設定装置。
【請求項４】入力信号値ｘに対して、次の（数１）の
関数演算により入力信号に対するゲイン係数ｇを算出す
ることを特徴とする係数設定装置。【数１】ただし、ｋ_n ・・・・係数ｊ・・・・係数ｋ_n の最大値ｋ_max 及び正規化する値Ｓにつ
いてＳ≧２^j ×ｋ_maxが成立する値Ｃ_F ・・・・（１／２）≦│Ｃ_F │＜１が満たされる固定値ｎ・・・・固定値Ｍ・・・・演算次数ｘ_F ・・・・入力信号値ｘについて（１／２）≦ｘ_F ＜１を
満足するためにｘをシフトさせた値ｍ・・・・入力信号値ｘをｘ_F とするためのシフト量とする。
【請求項５】入力信号値ｘについて（１／２）≦ｘ_F
＜１を満足するためにｍビットシフトを行ないｘ_F を得
る第１のシフタ手段と、係数ｋ_n を保持するレジスタ手段と、係数ｋ_n とｘ_F についてＭ次の演算を実行するために１
又は複数の加算、及び１又は複数の乗算を実行する演算
手段と、前記演算手段の出力に対して（ｍ＋固定値）ビットシフ
トを行ない、ゲイン係数ｇを出力する第２のシフタ手段
と、を有して構成されることを特徴とする請求項４に記載の
係数設定装置。