JP3166407B2 - ノイズ低減装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オーディオ信号の量子
化時に発生する量子化誤差（ノイズ）を低減するための
オーディオ信号のノイズ低減装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、ディジタル形態のオーディオ信号
を取り扱うディジタルオーディオ機器には、例えばいわ
ゆるコンパクトディスク（ＣＤ）の再生機や、いわゆる
ディジタルオーディオテープレコーダ（ＤＡＴ）等が存
在している。これらのディジタルオーディオ装置におい
て、種々の統一規格が規定されており、例えば、これら
の機器で取り扱われるディジタルオーディオ信号のビッ
ト長は、上記統一規格により１６ビットに規定されてい
る。また、これらのディジタルオーディオ機器における
ディジタルオーディオ信号としては、アナログオーディ
オ信号（音の波形信号）を、リニアパルスコーディング
であるいわゆるＰＣＭ等の単純な線形量子化により符号
化して得られたディジタルオーディオ信号を用いてい
る。

【０００３】ところで、近年、上述したようなディジタ
ルオーディオ機器においては、上記統一規格から現実に
得られる再生音よりも、聴感上より品質の高い再生音が
得られることが望まれている。このような聴感上より良
い再生音を得るためには、例えば、これらのディジタル
オーディオ機器で扱われるディジタルオーディオ信号に
含まれているノイズ成分を低減しておくことが有効であ
ると考えられる。このように、ノイズ成分が低減された
オーディオ信号から得られる再生音は、ノイズの少ない
聴感上よりよいものとなる。

【０００４】このディジタルオーディオ信号のノイズ成
分低減処理としては、例えば、オーディオ信号の量子化
の際に行われるいわゆるエラーフィードバックによる量
子化誤差低減処理が知られている。これは、量子化器に
よりオーディオ信号を量子化する際に発生する量子化誤
差（量子化ノイズ、量子化歪み）を、ノイズフィルタを
介して該量子化器の入力側に帰還するものである。

【０００５】このようなエラーフィードバックを用いた
ノイズ低減装置については、本件出願人により、特願平
２−１８５５５２号、特願平２−１８５５５５号、特願
平２−１８５５５６号の各明細書及び図面等において提
案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで、上述したＰＣ
Ｍ符号化のような線形量子化での量子化ノイズはオーデ
ィオ信号の全周波数帯域に亘ってフラットな周波数特性
を有するものとなっている。しかしながら、人間の耳
は、音の周波数に応じて異なる聴覚の感度を有してお
り、エラーフィードバックによる量子化誤差低減処理
は、聴感上で必ずしも効果的とはいえない。また、入力
信号のレベルによっては、量子化ノイズが聴感上問題と
なることがある。

【０００７】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、聴感上の観点で量子化誤差（量子化ノイ
ズ）の低減が効果的に行えるようなノイズ低減装置を提
供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るノイズ低減
装置は、量子化器で発生した量子化誤差をノイズフィル
タを介して上記量子化器の入力側に帰還するようにした
オーディオ信号のノイズ低減装置において、入力信号の
レベルを検出するレベル検出手段と、ホワイトディザ、
高周波数ディザ、及びオールゼロディザを発生し、上記
レベル検出手段からの出力に応じて、上記ディザのタイ
プ又はディザのレベルが制御されるディザ発生手段と、
上記ディザ発生手段からの出力を上記入力信号に加算す
る加算手段とを有して成ることにより、上述の課題を解
決する。

【０００９】ここで、上記レベル検出手段は、上記入力
信号が聴感上気になるレベルのときに上記ディザ発生手
段に出力信号を供給すればよい。また、上記ディザ発生
手段は、入力信号のレベルに応じてディザのレベルを可
変するものとすればよい。

【００１０】また、本発明に係るノイズ低減装置は、入
力オーディオ信号を量子化する量子化手段と、上記量子
化手段の出力信号から該量子化手段への入力信号を減算
する減算手段と、上記減算手段からの出力が供給される
フィルタ手段と、上記フィルタ手段からの出力と上記入
力信号とを合成する合成手段と、ランダムな又は疑似ラ
ンダムなディザ信号であって、ホワイトディザ、高周波
数ディザ、及びオールゼロディザを発生するディザ発生
手段と、上記ディザ発生手段の上記ディザのタイプ、周
波数特性及びレベルを制御するディザ制御手段と、フィ
ルタ係数計算手段及び等ラウドネス特性に関連するデー
タを発生し該データが上記フィルタ係数計算手段に供給
されるデータ発生手段を含み、上記フィルタ手段の特性
を制御するフィルタ制御手段とを有して成ることによ
り、上述した課題を解決する。

【００１１】ここで、上記ディザ制御手段は、さらに、
上記入力オーディオ信号の信号レベルに基づく上記ディ
ザ信号の周波数特性及びレベルを制御する手段を含ませ
ることが好ましい。また、上記フィルタ制御手段は、さ
らに、上記フィルタ特性の低周波数帯域成分を補正する
ための制御データを発生する手段を含ませることが好ま
しい。さらに上記フィルタ制御手段は、上記入力オーデ
ィオ信号のマスキング効果に従って上記フィルタ特性を
制御する手段を含ませることが好ましい。

【００１２】さらに、上記フィルタ制御手段は、周波数
軸上、あるいは時間軸上ののマスキング効果を考慮して
得られた許容ノイズスペクトルが、上記入力オーディオ
信号のスペクトルに従って与えられるようなノイズシェ
ーピングを実現するフィルタ特性を得るための制御信号
を生成することが好ましい。またさらに、上記フィルタ
制御手段は、上記入力信号の信号レベルが小さいときに
は等ラウドネス曲線を考慮に入れ、同信号レベルが大き
くなるに従ってマスキング効果を考慮に入れた許容ノイ
ズスペクトルが、上記入力オーディオ信号の信号レベル
に応じて与えられるようなノイズシェーピングを実現す
るためのフィルタ特性を得る制御信号を生成することが
好ましい。

【００１３】

【作用】このノイズ低減装置では、入力信号は先ずディ
ザ信号が加算されて調整され、次に量子化手段で発生さ
れた量子化誤差がフィルタ手段（いわゆるノイズフィル
タ）を介して量子化手段の入力側に帰還される。ノイズ
フィルタのフィルタ係数は、人間の聴覚特性に応じた等
ラウドネス曲線に関連する情報に基づいて設定される。
本発明によれば、等ラウドネス曲線が人間の耳の聴覚特
性に応じたものであることに着目し、量子化誤差を、こ
の等ラウドネス曲線に関連する情報に基づいて係数が設
定されたノイズフィルタを介して、量子化器の入力に帰
還しているため、耳に聞こえ易い周波数帯域の量子化誤
差を低減することができる。従って、聴感上のノイズを
低減して聴感上のダイナミックレンジを改善することが
可能となる。

【００１４】

【実施例】本発明に係るノイズ低減装置が適用された第
１の実施例について、図面を参照しながら説明する。図
１において、第１の実施例である量子化誤差（ノイズ）
の低減装置の概略的な構成がブロック図の形態で示され
ている。

【００１５】図１に示す量子化誤差（ノイズ）低減装置
の実施例において、量子化器１１で発生された量子化誤
差がノイズフィルタ１３を介して該量子化器１１の入力
側に帰還されている。ノイズフィルタ１３のフィルタ係
数は、人間の聴感特性に応じた図２に示すいわゆる等ラ
ウドネス曲線ＲＣに関連する情報に基づいて設定されて
いる。

【００１６】ここで、任意のサンプリング周波数でサン
プリングされて得られたディジタルオーディオ信号が図
１の入力端子１に送られている。このディジタルオーデ
ィオ信号は、ディザ発生回路２１により発生されたディ
ザ信号と加算され、量子化器１１で再量子化され、出力
端子２から出力される。

【００１７】この実施例（及び後述する他の実施例も同
様）の量子化誤差低減装置は、２つのサブシステム、す
なわちディザシステム及びノイズシェーピングシステム
から成っている。これらのサブシステムは相補的に作用
し、これらの特性は独立に変化させることができる。

【００１８】ディザサブシステムは、レベル検出器２
０、ディザ発生回路２１及び加算器１０により構成され
ている。ディザ発生回路２１により発生されたディザ信
号は、加算器１０で入力信号と加算される。ディザサブ
システムの目的は、ランダムあるいは疑似ランダム信号
として定義されるいわゆるディザ信号を発生することで
あり、このディザ信号は、量子化誤差と入力信号の間の
信号相関が低減されるように量子化前の入力信号に加算
されている。相関するエラーは相関しないエラーよりも
よく聞こえ、この信号とエラーとの相関を低減すること
が、聴感上で量子化ノイズを低減する。また、この無相
関により、信号とエラーとの相関が顕著な入力オーディ
オ信号に対するノイズシェーピングサブシステム（後述
する）の効果を増強できる。

【００１９】ディザ発生回路２１によりディザが発生さ
れる。このディザ信号の周波数特性は、本実施例の特有
の設定に依存し、処理すべき入力信号のクラスの特性に
より決定される。典型的なディザのスペクトルは、理論
的に最適の無相関を形成するいわゆるホワイトディザ
（全周波数で等しい）と、信号スペクトルの可聴外の領
域に集中されたエネルギを有することにより聴感上のノ
イズをより低減したいわゆる高周波数ディザと、入力信
号が既に充分にランダムでさらに無相関化する必要がな
いときに適するオールゼロディザとを含んでいる。

【００２０】ディザ化されない１ビット振幅のサイン波
のパワースペクトルが図４に示されており、エラー相関
は共振スペクトルピークとして示される。同じ信号がホ
ワイトディザと共に量子化されたものが図５に示されて
おり、単一のスペクトルピークがあり、量子化エラーが
信号に相関していないことを示している。図６は高周波
数ディザと共に量子化された同じ信号を示しており、デ
ィザパワーは大きいがそれが耳に感じとれない領域に集
中されるためディザがあまり聞こえなくなっている。

【００２１】本実施例の特有の設定によって、レベル検
出器２０は、ディザ発生回路２１により発生されたディ
ザのタイプ、又は該ディザのレベル、あるいは双方を制
御するために用いられる。例えば、オールゼロより成る
入力信号にディザを加算することは不適当であり、従っ
てこの条件がレベル検出器２０により検出され、ディザ
発生回路２１が適切に制御される。さらに、低レベル入
力信号は高レベル信号に比べてより大きなディザを必要
とすることが多く、従ってディザのレベルは信号レベル
が増大するに応じて徐々に減少する。

【００２２】ところで、本実施例の量子化誤差低減装置
において、量子化誤差はノイズシェーピングサブシステ
ムにより低減される。このノイズシェーピングサブシス
テムは、量子化器１１の出力から量子化器１１への入力
を減算することで当該量子化器１１での量子化の際に発
生する量子化誤差を得る加算器１２と、後述するフィル
タ係数でフィルタ特性が設定され、加算器１２からの出
力に対してフィルタリング処理を施して出力するノイズ
フィルタ１３と、ノイズフィルタ１３からの出力を量子
化器１１の入力に加算する加算器１０とから成り、いわ
ゆるエラーフィードバック回路を構成している。このエ
ラーフィードバック回路により量子化誤差低減処理（い
わゆるノイズシェーピング処理）が行われる。

【００２３】さらに、本実施例の量子化誤差低減装置
は、人間の聴覚特性に対応する図２に示すような等ラウ
ドネス曲線ＲＣのデータを発生する等ラウドネス曲線発
生回路１５と、この等ラウドネス曲線発生回路１５から
の出力に基づいてノイズフィルタ１３のフィルタ係数を
計算するフィルタ係数計算回路１４とを有している。

【００２４】ここで、図２の等ラウドネス曲線ＲＣは、
人間の聴覚特性に対応したものである。この曲線ＲＣ
は、例えば１ｋHzの純音の音圧と同じ大きさ（ラウドネ
ス）に聞こえる各周波数毎の音圧の曲線断片を接続する
ことにより得られており、これはラウドネス（音の大き
さ）の等感度曲線とも称されている。図２に示すような
等ラウドネス曲線ＲＣによれば、人間の聴力は４ｋHz付
近で鋭敏であり、１ｋHzの音圧よりも８〜１０ｄＢ低い
音圧でも実質的に１ｋHzと同じ大きさ（ラウドネス）で
音を聞くことができる。これに対して、例えば１０ｋHz
では、４ｋHz付近に比べて２０ｄＢ程度も音が聞こえ難
い。

【００２５】等ラウドネス曲線ＲＣ（又はその近似曲
線）に関連した情報（許容可能ノイズスペクトルの情
報）が等ラウドネス曲線発生回路１５から出力され、フ
ィルタ係数計算回路１４に送られる。従って、等ラウド
ネス曲線発生回路１５では、この等ラウドネス曲線ＲＣ
に関連した情報に基づいてフィルタ係数が計算される。
計算されたフィルタ係数は、さらにノイズフィルタ１３
に送られる。このようにして、等ラウドネス曲線ＲＣに
関連した情報に基づいたフィルタ係数を有するノイズフ
ィルタ１３を用いるエラーフィードバック回路によりオ
ーディオ信号のノイズシェーピングを施すことにより、
聴感上のダイナミックレンジが改善することができる。
すなわち、等ラウドネス曲線ＲＣを考慮して得られる許
容可能ノイズスペクトル（許容可能ノイズレベル）を用
いたノイズシェーピングを実行することにより、聴感上
より効果的なノイズシェーピングが導かれ、これにより
再生音の聴感上のダイナミックレンジを改善することを
可能としている。

【００２６】さらに、本実施例において、ノイズフィル
タ１３のフィルタ特性を決定する際に、いわゆるマスキ
ング効果が考慮される。ここでマスキング効果とは、人
間の聴感上の特性により、ある信号が他の信号によって
マスクされて聞こえなくなるような現象である。このマ
スキング効果には、時間軸上の信号に関するマスキング
効果（テンポラルマスキング）と、周波数軸上の信号に
関するマスキング効果（同時刻マスキング）とがある。
もしマスキングを受ける部分にノイズが存在しても、そ
のノイズはマスキング効果により聞こえない。これによ
って、マスキング効果を考慮した量子化誤差低減処理に
よる手法が実行されると、聴感上のダイナミックレンジ
が改善される。マスキング効果を考慮したようなフィル
タ特性を決定するためには、本実施例のフィルタ係数計
算回路１４において例えば周波数軸上のマスキング効果
を考慮したフィルタ係数を予め設定しておく。例えば、
多くの中間及び低域成分を含む通常のオーディオ音声に
対処するため、低域でのマスキング効果を考慮した固定
のフィルタ係数が設定される。あるいは入力オーディオ
信号のスペクトルに対応するマスキング効果に対処する
能力を得るため、スペクトルに応じた適応的なフィルタ
係数を発生するような手法が使用される。

【００２７】このようにして、フィルタ係数計算回路１
４からのフィルタ係数が等ラウドネス曲線ＲＣ及びマス
キング効果を考慮に入れた状態で得られる。従って、ノ
イズフィルタ１３のフィルタ特性は、マスキング効果が
考慮された固定的あるいは適応的なフィルタ係数と、さ
らに等ラウドネス曲線に関連したフィルタ係数に基づい
て設定される。

【００２８】すなわち、このときのノイズフィルタ１３
は、マスキング効果及び等ラウドネス曲線から得られる
図３に示されるような曲線ＭＲにより指示されたフィル
タ特性を有するフィルタとして作用する。図３の曲線Ｍ
Ｒにより指示されるフィルタ特性をノイズフィルタ１３
に持たせることにより、ノイズフィルタ１３に送られる
量子化誤差スペクトルは曲線ＭＲに応じて変化する。ノ
イズフィルタ１３からの出力を入力オーディオ信号に加
算することにより、量子化器１１での量子化誤差は（ノ
イズシェーピングに基づいて）低減される。ここで、図
３の曲線ＭＲにおいて、図２の等ラウドネス曲線ＲＣが
考慮されるとき、４ｋHzより低い周波数帯域でのレスポ
ンスを増大させることが考えられる（すなわち許容ノイ
ズを増加させることもできる）が、４ｋHzより低い周波
数帯域でのフィルタ特性は後述する第２の実施例のよう
に平坦（フラット）なものとしている。このような機構
が働く理由を次に述べる。

【００２９】上記等ラウドネス曲線ＲＣの４ｋHz以下
は、帯域幅が広くないにもかかわらず変化が急であるた
め、この４ｋHz以下の等ラウドネス曲線ＲＣに合わせた
ノイズフィルタ１３を作成するとフィルタの次元が高く
なってしまうためである。このようにフィルタの次元を
高めると構成が複雑化して大規模化するようになる。し
かし、このとき、該フィルタの規模に見合った効果が得
られないため、以下に記載する第２の実施例では上述し
たように４ｋHz以下のフィルタ特性をフラットなものと
している。

【００３０】すなわち、図７は本発明の第２の実施例を
示し、図１の各部と対応するブロックには同じ指示符号
を付して説明を省略する。この図７において、低周波数
帯域補正制御信号発生回路１６がさらに設けられてお
り、この回路で発生された低周波数帯域補正信号がフィ
ルタ係数計算回路１４に送られる。従って、上記図３の
曲線ＭＲに示されるように低周波数帯域で平坦（フラッ
ト）なフィルタ特性が実現される。さらに、この低周波
数帯域補正信号はマスキング効果を考慮に入れて形成さ
れたようなものである。一般に、中、高周波数帯域が通
常のオーディオサウンドにおいて多く使用され、オーデ
ィオサウンドの中、高周波数帯域での上述したマスキン
グ効果は有効である。従って、この実施例のノイズフィ
ルタ１３において、図３のフィルタ係数の曲線ＭＲの応
答（レスポンス）は、図２の等ラウドネス曲線ＲＣの応
答が低下する程度にまで低下はされない（曲線ＭＲは等
ラウドネス曲線に比べてより緩やかにされている）。す
なわち、これを実現するために、上述したように、マス
キング効果が考慮されたフィルタ係数が設定される。ノ
イズフィルタ１３のフィルタ特性が図３に示すように設
定され、実際のオーディオ音声を用いて量子化雑音処理
を行った後の量子化ノイズの周波数特性を図８に示す。

【００３１】マスキング効果を利用した第３の実施例に
ついて図９を参照しながら説明する。この図９において
も、図１の各部と対応するブロックには同じ参照番号を
付している。

【００３２】図９の量子化ノイズ低減装置は、量子化器
１１で発生された量子化誤差をノイズフィルタ１１を介
して該量子化器１１の入力側に帰還するように構成され
ている。より具体的には、この量子化ノイズ低減装置
は、入力オーディオ信号のレベルを検出するレベル検出
器１９と、入力オーディオ信号を臨界帯域（クリティカ
ルバンド）毎に周波数分析する周波数分析回路１７と、
人間の聴覚特性に応じた図２に示すようないわゆる等ラ
ウドネス曲線ＲＣに基づいた情報を発生する等ラウドネ
ス曲線発生回路１５と、周波数分析回路１７からの出力
と等ラウドネス曲線発生回路１５からの出力との合成比
をレベル検出器１９からの出力に応じて可変し、得られ
た合成情報に基づいて許容ノイズスペクトルを計算する
許容ノイズスペクトル計算回路１８とを有している。こ
の量子化ノイズ低減装置では、ノイズフィルタ１３のフ
ィルタ特性が、上記許容ノイズスペクトル計算回路１８
の出力情報に基づいて設定される。

【００３３】すなわち、本実施例の量子化誤差低減装置
において、量子化器１１の出力から量子化器１１への入
力を減算することで該量子化器１１での量子化の際に発
生する量子化誤差を得る加算器１２と、この加算器１２
の出力をフィルタリング処理して出力するノイズフィル
タ１３と、このノイズフィルタ１３の出力を上記量子化
器１１の入力側に加算する加算器１０とにより、いわゆ
るエラーフィードバック回路が構成されている。ここ
で、ノイズフィルタ１３のフィルタ特性は次のように決
定されている。実際には、フィルタ係数計算回路１４に
よって、許容ノイズスペクトル計算回路１８の後述する
許容ノイズスペクトルの情報に基づいたフィルタ係数を
計算し、このフィルタ係数情報をノイズフィルタ１３に
送るようにしている。

【００３４】従って、上述したエラーフィードバック回
路においては、後述する許容ノイズスペクトルに基づい
た量子化誤差低減処理（いわゆるノイズシェーピング処
理）が実行される。このように処理された信号が出力端
子２から出力される。

【００３５】ところで、上述したエラーフィードバック
回路によってオーディオ信号の量子化誤差低減処理（ノ
イズシェーピング処理）を行う際には、入力信号スペク
トルのいわゆるマスキングを考慮した処理を行うこと
で、聴感上のダイナミックレンジを拡大することができ
る。このマスキング効果を考慮した処理を行うことで、
例えば、信号スペクトルのパターンがある程度固定化し
た入力オーディオ信号のスペクトルに応じたノイズシェ
ーピング、すなわち入力オーディオ信号スペクトルの後
述するいわゆるマスキング効果を考慮して得られた許容
ノイズスペクトルを用いたノイズシェーピングを挙げる
ことができる。

【００３６】あるいは、入力オーディオ信号のスペクト
ルが変化する場合の、当該スペクトルのマスキングを考
慮して得られたスペクトル変化に適応的な許容ノイズス
ペクトルを用いたノイズシェーピング等がある。ここ
で、マスキング効果とは、人間の聴感上の特性により、
ある信号が他の信号によってマスクされて聞こえなくな
るような現象である。このマスキング効果には、時間軸
上の信号に関するマスキング効果（テンポラルマスキン
グ）と、周波数軸上の信号に関するマスキング効果（同
時刻マスキング）とがある。このマスキング効果によ
り、マスキングされる部分にノイズがあったとしても、
このノイズは聞こえない。例えば、同時刻マスキング効
果については、図１０に示すように、ある周波数の信号
Ｓの周波数レスポンスを０ｄＢとしたとき、上記信号Ｓ
により曲線Ｍ（約−１５ｄＢ以下）にマスキング効果が
作用するようになる。

【００３７】さらに、人間の聴覚特性を利用していわゆ
る臨界帯域幅（クリティカルバンド）に分割し、この臨
界帯域幅での分割し、この臨界帯域毎に周波数分析を行
っている。このときの上記臨界帯域幅での分割として
は、例えば、入力オーディオ信号を例えば高速フーリエ
変換（ＦＦＴ）で周波数軸上の成分に変換し、次にこの
ＦＦＴ係数の振幅項Ａｍ（ｍ＝０〜１０２４）を、人間
の聴覚特性を考慮した高域ほど帯域幅が広くなる上記臨
界帯域幅で、例えば２５バンドのグループＧｎ（ｎは各
バンドの番号を示し、ｎ＝０〜２４）に分割（バンド分
割）することができる。

【００３８】さらに、これら各臨界帯域毎の周波数分析
については、例えば、次の（１）式により各帯域毎のそ
れぞれの振幅項Ａｍの総和（振幅項Ａｍのピーク、平均
あるいはエネルギ総和）をとることで得られるいわゆる
バークスペクトル（総和のスペクトル）Ｂｎを決定する
ような分析を行うことができる。 Ｂｎ＝１０ log₁₀Ｃｎ（Ｐｎ）² ・・・（１）

【００３９】ここでｎは０〜２４であり、Ｃｎは第ｎバ
ンド（帯域）内の要素数すなわち振幅項（ポイント
数）、Ｐｎは各帯域のピーク値である。各帯域（バン
ド）のバークスペクトルＢｎは、例えば図１１に示され
る。この図１１の例において、図を簡略化するために、
全帯域数を１２バンド（Ｂ₁ 〜Ｂ₁₂）で表現している。
上記周波数分析回路１７においては、上述した臨界帯域
幅での分割と各帯域毎の周波数分析が行われ、その出力
情報を上記許容ノイズ計算回路１８に送られる。

【００４０】上記等ラウドネス曲線発生回路１５から
は、上記等ラウドネス曲線ＲＣの情報が発生され、出力
される。すなわち、等ラウドネス曲線を考慮して得られ
た許容ノイズスペクトルを用いたノイズシェーピングを
行うことで、聴感上より効果的なノイズシェーピングが
行える。従って、再生音の聴感上のダイナミックレンジ
が改善され得る。等ラウドネス曲線ＲＣ（あるいはその
近似曲線）の情報が上記等ラウドネス曲線発生回路１５
から出力されて、上記許容ノイズスペクトル計算回路１
８に送られる。

【００４１】従って、上記許容ノイズスペクトル計算回
路１８においては、上記等ラウドネス曲線発生回路１５
からの出力情報と上記周波数分析回路１７からの出力情
報とに基づいて、許容ノイズスペクトルを計算してい
る。このとき、上記周波数分析回路１７でのバークスペ
クトルＢｎから、次の（２）式を用いて帯域間の影響を
考慮してコンボリューションを実行する（所定の重み付
けの関数を畳み込む）ことで、各帯域毎のコンボリュー
ション処理されたバークスペクトルＳｎが計算される。

【００４２】 Ｓｎ＝Ｈｎ＊Ｂｎ ・・・（２） ここでＨｎはコンボリューションの係数である。このコ
ンボリューションにより、図１１中の点線で示される部
分の総和がとられる。さらに、このコンボリューション
処理されたバークスペクトルＳｎ及び必要とされるＳ／
Ｎ値であるＯｎ（ん＝０〜２４）を用い、次の（３）
式、（４）式に応じてコンボリューション処理されたマ
スキング閾値Ｔｎが計算される。

【００４３】 Ｏｎ＝Ｎ−Ｋ×ｎ ・・・（３） Ｔｎ＝Ｓｎ−Ｏｎ ・・・（４） 例えば、Ｎが３８とされるとき、Ｋは１とすることがで
きる。このとき音質の劣化が少ない結果となる。すなわ
ち、図１２に示されるように、コンボリューション処理
されたマスキング閾値Ｔｎの各レベルで示すレベル以下
の強度の音がマスキングされる。その後、次の（５）式
を用いて、コンボリューション処理されたマスキング閾
値Ｔｎをデコンボリューション処理することにより、許
容ノイズレベル（許容ノイズスペクトル）ＴＦｎが計算
される。実際には、例えば上記係数Ｈｎによるコンボリ
ューションの直流（ＤＣ）ゲインＤｎが減算される。

【００４４】 ＴＦｎ＝Ｔｎ−Ｄｎ ・・・（５）

【００４５】上記許容ノイズスペクトル計算回路１８に
おいては、上述のようにして得られた上記周波数分析回
路からの出力情報と、先に説明した等ラウドネス曲線発
生回路１５からの出力情報とを合成して得られた合成情
報に基づいて上記許容ノイズスペクトルが求められる。

【００４６】ここで、上記等ラウドネス曲線ＲＣに基づ
いた許容ノイズスペクトルでの許容ノイズレベルは、入
力オーディオ信号のレベルによってマスキング効果が作
用する許容ノイズレベル以下のレベルとなることがあ
る。すなわち、例えば、入力オーディオ信号のレベルが
高い場合には、この入力オーディオ信号による上記マス
キング効果が作用する許容ノイズレベルによって、上記
等ラウドネス曲線に基づいた許容ノイズスペクトルのレ
ベルも同時にマスクされることがある。

【００４７】上記観点から、本実施例では、入力オーデ
ィオ信号のレベルを上記レベル検出器１９で検出し、こ
のレベル検出出力に基づいて、上記等ラウドネス曲線発
生回路１５からの出力情報と、上記周波数分析回路１７
からの出力情報との合成比を変化させるようにしてい
る。ここで、上記等ラウドネス曲線発生回路１５と上記
周波数分析回路１７からの出力情報の合成は、例えば各
周波数帯域毎に行われる。この場合、上記レベル検出器
１９でのレベル検出が各バンド毎に行われる。従って、
各バンド毎のレベル検出出力に基づいて各帯域毎に上記
合成比が変化させ得るようになる。すなわち、上記許容
レベルスペクトル計算回路１８におけるノイズスペクト
ルを求めるための合成情報については、例えば、入力オ
ーディオ信号の低域のレベルが高くかつ低域でのマスキ
ング効果が大きい場合には、低域が高レベルで高域が低
レベルを有する許容ノイズスペクトルが得られるような
合成比にて合成情報が準備される。逆に、例えば、高域
のレベルが高くかつ高域でのマスキング効果が大きい場
合には、高域が高くかつ低域が低くなるような許容ノイ
ズレベルが得られるような合成比で合成情報が作られ
る。このように得られた許容ノイズスペクトルの情報
が、上記フィルタ係数計算回路１４に送られる。そし
て、このフィルタ係数計算回路１４から許容ノイズスペ
クトルに応じたフィルタ係数が出力されて、上記ノイズ
フィルタ１３に送られる。

【００４８】上述のようなことから、このノイズフィル
タ１３のフィルタ特性は、入力オーディオ信号のレベル
に応じて、帯域毎に合成比が可変されて得られた許容ノ
イズスペクトルに基づいたフィルタ係数に応じたものと
なる。ここで、例えば、入力オーディオ信号のレベルが
フラットであった場合に、上記ノイズフィルタ１３のフ
ィルタ特性が、図１３〜図１６の曲線ＭＲのようになっ
ているとする。このとき、上記入力オーディオ信号が、
例えば、図１３に示すように低域で僅かにレベルの高い
信号Ｓ₁ となった場合には、上述したようにして合成比
が変えられることで、上記フィルタ特性は、該曲線ＭＲ
の低域が僅かに上げられ高域が僅かに下げられた図１３
中曲線ＭＲ₁ で示すような特性に変えられるようにな
る。

【００４９】また、例えば、入力オーディオ信号が図１
４に示すように低域でレベルの大きい信号Ｓ₂ であった
場合には、当該ノイズフィルタ１３のフィルタ特性は、
当該曲線ＭＲの低域が大きく上げられ高域が大きく下げ
られた図１４中の曲線ＭＲ₂で示すような特性に変えら
れる。逆に、入力オーディオ信号が図１５に示すように
高域で僅かにレベルの高い信号Ｓ₃ であった場合には、
上記フィルタ特性は、上記曲線ＭＲの低域が僅かに下げ
られ高域が僅かに上げられた図１５中の曲線ＭＲ₃ で示
すような特性に変化され、また、例えば、図１６に示す
ように高域でレベルの大きい信号Ｓ₄ であった場合に
は、上記曲線ＭＲの低域が大きく下げられ高域が大きく
上げられた図１６中の曲線ＭＲ₄ で示すような特性に変
化される。上述した図１３〜図１６に示すように、フィ
ルタ特性が変化されることで、より、人間の聴覚特性に
応じたノイズシェーピングが行えるようになる。

【００５０】すなわち、上述したことを言い換えると、
本実施例装置においては、入力オーディオ信号のレベル
が小さい時は、上記ノイズフィルタ１３のフィルタ特性
を等ラウドネス曲線ＲＣのような特性にしてノイズシェ
ーピングするようにする。また、信号レベルが大きくな
るにつれて、入力オーディオ信号のレベルによって量子
化ノイズを目立たなくするために、該ノイズフィルタ１
３の特性を当該入力オーディオ信号の信号レベルに合わ
せてフラットにするようにする。さらに、信号レベルが
小さい時は、ノイズフィルタ１３で等ラウドネス曲線Ｒ
Ｃのような特性を、信号レベルに合わせてフラットに近
づけ、信号特性に合わせたノイズシェーピング特性（マ
スキング特性等）に変えていくようにする。すなわち、
上記ノイズフィルタ１３の特性は、信号レベルが小さい
時は等ラウドネス曲線ＲＣのようなフィルタ特性とし、
信号レベルが大きい時はマスキング効果を考慮したフィ
ルタ特性とされている。

【００５１】なお、上述の図１３〜図１６の入力オーデ
ィオ信号のレベルがフラット時のフィルタ特性を示す曲
線ＭＲにおいては、前述した図８の等ラウドネス曲線Ｒ
Ｃを考慮すると４ｋHz以下のレベルを上げることも考え
られる（すなわち許容できるノイズを増やすようにする
こともできる）が、この等ラウドネス曲線ＲＣの４ｋHz
以下は帯域幅が広くないにもかかわらず変化が急峻であ
るため、該４ｋHz以下の等ラウドネス曲線ＲＣに合わせ
たノイズフィルタ１３を作成するとフィルタの次元が高
くなってしまう。このようにフィルタの次元を高めると
構成が複雑化し大規模化するようになる。ところが、こ
の時、該フィルタの規模に見合った効果が得られないた
め、本実施例では、上述のように４ｋHz以下のフィルタ
特性をフラットなものとしている。また、本実施例のノ
イズフィルタ１３では、通常、オーディオ音声において
使用頻度の高い中、低域では、上述したように当該オー
ディオ音声の中、低域でのマスキング効果が効くので、
図１３〜図１６の曲線ＭＲを図４の等ラウドネス曲線Ｒ
Ｃ程下げないようにしている（曲線ＭＲを等ラウドネス
曲線ＲＣよりも穏やかな曲線としている）。すなわち、
このようにするため、上述したようにマスキング効果を
考慮したフィルタ係数を設定するようにしているのであ
る。

【００５２】図１７に、本実施例装置を例えばいわゆる
コンパクトディスク（ＣＤ）におけるエンコーダ、デコ
ーダのシステムに使用したシステム構成の具体例を示
す。この図１７において、入力端子３１にはアナログオ
ーディオ信号が供給される。このアナログオーディオ信
号はＡ／Ｄ変換器３２で２０ビットディジタル信号に変
換された後、本実施例の量子化誤差低減装置が内蔵され
た２０ビット対応エンコーダ３３に送られる。このエン
コーダ３３で量子化誤差低減処理がなされると共に１６
ビットのデータにエンコードされたデータは、上記ＣＤ
に記録される。このＣＤに記録されたデータは、既存の
ＣＤ再生機の再生回路３４及びＤ／Ａ変換器３５でオー
ディオ信号に変換されて出力端子３６から出力されて再
生される。すなわち、上記ＣＤに記録されたデータは、
本実施例の量子化誤差低減装置によって量子化誤差が低
減されているものであるため、このＣＤを再生して得ら
れる音は、聴感上のダイナミックレンジの高いものとな
る。

【００５３】また、図１８に上記ＣＤと異なり例えば１
０ビットでデータを記録するメディアを介したシステム
構成の具体例を示す。この場合、入力端子に入力供給さ
れたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器４２で例えば１６ビ
ットのディジタルデータとされた信号が本実施例の量子
化誤差低減装置が内蔵された１０ビット対応エンコーダ
４３に送られる。このエンコーダ４３で量子化誤差低減
処理がなされると共に１０ビットのデータにエンコード
されたデータは、上記メディアに記録される。このメデ
ィアに記録されたデータは、既存の再生機の再生回路４
４及びＤ／Ａ変換器４５でアナログ信号に変換されて出
力端子４６から出力される。この場合も同様に、得られ
る再生信号の聴感上のダイナミックレンジが高くなる。

【００５４】図１９には、オーバーサンプリングを行う
Ｄ／Ａ変換のシステムで本実施例装置を使用する具体例
を示す。この場合、入力端子５１に入力供給されたアナ
ログ信号は、オーバーサンプリングを行うＤ／Ａ変換器
５２で例えば２０ビットのディジタルデータとされ、伝
送路を介して本実施例の量子化誤差低減装置５３に送ら
れる。該量子化誤差低減装置５３で量子化誤差低減処理
がなされ、Ｄ／Ａ変換器５４を介してアナログ信号に変
換されて出力端子５５から出力される。これにより、オ
ーバーサンプリングが行え、Ｄ／Ａ変換の分解能を落と
すことができ、その分直線性を上げる方向で上記Ｄ／Ａ
変換器５４を作成し易くなる。

【００５５】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
るものではなく、本発明の特許請求の範囲により定義さ
れ保証された要旨を逸脱しない範囲で種々の付加や変更
が可能であることは勿論である。

【００５６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明に係るノイズ低減装置によれば、量子化器で発生した
量子化誤差をノイズフィルタを介して上記量子化器の入
力側に帰還するようにしたオーディオ信号のノイズ低減
装置において、入力信号のレベルに応じて発生されたデ
ィザ信号を上記入力信号に加算することにより、量子化
ノイズが聴感上問題となるような入力信号のときに、ノ
イズが聞こえ難くなり、量子化ノイズが聴感上で問題と
ならなくなる。

【００５７】また、ノイズフィルタのフィルタ係数を等
ラウドネス曲線やマスキング効果を考慮して設定するこ
とにより、例えば等ラウドネス曲線の情報と入力オーデ
ィオ信号の周波数分析情報との合成比が入力オーディオ
信号のレベルに応じて可変されて得られた情報に基づい
て設定すること等により、聴感上のノイズを低減して聴
感上のダイナミックレンジを改善することができる。

【００５８】さらに、本発明に係るノイズ低減装置を、
例えば既存の統一規格のディジタルオーディオ機器に適
用することにより、該統一規格から実際に得られるダイ
ナミックレンジよりも聴感上で拡大されたダイナミック
レンジの再生音を得ることができるようになる。すなわ
ち、統一規格に何ら変更を加えることなく、該統一規格
を維持したままで、従来と同じ再生装置を用いて、再生
オーディオ信号の聴感上のダイナミックレンジを向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例としてのオーディオ信号
の量子化誤差低減装置の概略構成を示すブロック回路図
である。

【図２】等ラウドネス曲線を示す特性図である。

【図３】フィルタ特性を示す特性図である。

【図４】ディザを入れない状態の１ビット振幅の正弦波
のパワースペクトルを示す特性図である。

【図５】ホワイトディザを入れた状態の１ビット振幅の
正弦波のパワースペクトルを示す特性図である。

【図６】高周波数ディザを入れた状態の１ビット振幅の
正弦波のパワースペクトルを示す特性図である。

【図７】本発明の第２の実施例の回路構成を示すブロッ
ク図である。

【図８】実施例装置に実際のオーディオ信号を通過させ
たときのノイズ周波数特性を示す特性図である。

【図９】本発明の第３の実施例の回路構成を示すブロッ
ク図である。

【図１０】マスキング効果を説明するための周波数特性
図である。

【図１１】バークスペクトルを示す特性図である。

【図１２】マスキング閾値（スレッショールド）を示す
周波数特性図である。

【図１３】ノイズフィルタのフィルタ特性の例を示す周
波数特性図である。

【図１４】ノイズフィルタのフィルタ特性の例を示す周
波数特性図である。

【図１５】ノイズフィルタのフィルタ特性の例を示す周
波数特性図である。

【図１６】ノイズフィルタのフィルタ特性の例を示す周
波数特性図である。

【図１７】コンパクトディスクのエンコーダ、デコーダ
システムに本実施例装置を適用した具体例を示すブロッ
ク図である。

【図１８】本実施例装置を１０ビットシステムに適用し
た具体例を示すブロック図である。

【図１９】オーバーサンプリングを行うＤ／Ａ変換器シ
ステムに本実施例装置を適用した具体例を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１０、１２・・・・・加算器 １１・・・・・量子化器 １３・・・・・ノイズフィルタ １４・・・・・フィルタ係数計算回路 １５・・・・・等ラウドネス曲線発生回路 １６・・・・・低周波数帯域補正用信号発生回路 １７・・・・・臨界帯域幅スペクトル分析回路 １８・・・・・許容ノイズスペクトル計算回路 １９、２０・・・・・レベル検出器 ２１・・・・・ディザ発生回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−7426（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72906（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−90615（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−314909（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 3/00 310 H03H 17/02 H04B 14/04

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 量子化器で発生した量子化誤差をノイズ
   フィルタを介して上記量子化器の入力側に帰還するよう
   にしたオーディオ信号のノイズ低減装置において、 入力信号のレベルを検出するレベル検出手段と、ホワイトディザ、高周波数ディザ、及びオールゼロディ
   ザを発生し、 上記レベル検出手段からの出力に応じて、
   上記ディザのタイプ又はディザのレベルが制御されるデ
   ィザ発生手段と、 上記ディザ発生手段からの出力を上記入力信号に加算す
   る加算手段とを有して成ることを特徴とするノイズ低減
   装置。
2. 【請求項２】 上記レベル検出手段は、上記入力信号が
   聴感上気になるレベルのときに上記ディザ発生手段に出
   力信号を供給することを特徴とする請求項１記載のノイ
   ズ低減装置。
3. 【請求項３】 上記ノイズフィルタは、周波数軸上及び
   ／又は時間軸上のマスキング効果を考慮して得られた許
   容ノイズスペクトルが、上記入力オーディオ信号のスペ
   クトルに従って与えられるようなノイズシェーピングを
   実現するフィルタ特性を有することを特徴とする請求項
   １記載のノイズ低減装置。
4. 【請求項４】 入力オーディオ信号を量子化する量子化
   手段と、 上記量子化手段の出力信号から該量子化手段への入力信
   号を減算する減算手段と、 上記減算手段からの出力が供給されるフィルタ手段と、 上記フィルタ手段からの出力と上記入力信号とを合成す
   る合成手段と、 ランダムな又は疑似ランダムなディザ信号であって、ホ
   ワイトディザ、高周波数ディザ、及びオールゼロディザ
   を発生するディザ発生手段と、 上記ディザ発生手段の上記ディザのタイプ、周波数特性
   及びレベルを制御するディザ制御手段と、 フィルタ係数計算手段及び等ラウドネス特性に関連する
   データを発生し該データが上記フィルタ係数計算手段に
   供給されるデータ発生手段を含み、上記フィルタ手段の
   特性を制御するフィルタ制御手段とを有して成ることを
   特徴とするオーディオ信号のノイズ低減装置。
5. 【請求項５】 上記ディザ制御手段は、さらに、上記入
   力オーディオ信号の信号レベルに基づく上記ディザ信号
   の周波数特性及びレベルを制御する手段を含むことを特
   徴とする請求項４記載のノイズ低減装置。
6. 【請求項６】 上記フィルタ制御手段は、さらに、上記
   フィルタ特性の低周波数帯域成分を補正するための制御
   データを発生する手段を含むことを特徴とする請求項５
   記載のノイズ低減装置。
7. 【請求項７】 上記フィルタ制御手段は、さらに、上記
   入力オーディオ信号のマスキング効果に従って上記フィ
   ルタ特性を制御する手段を含むことを特徴とする請求項
   ５記載のノイズ低減装置。
8. 【請求項８】 上記フィルタ制御手段は、周波数軸上の
   マスキング効果を考慮して得られた許容ノイズスペクト
   ルが、上記入力オーディオ信号のスペクトルに従って与
   えられるようなノイズシェーピングを実現するフィルタ
   特性を得るための制御信号を生成することを特徴とする
   請求項７記載のノイズ低減装置。
9. 【請求項９】 上記フィルタ制御手段は、時間軸上のマ
   スキング効果を考慮して得られた許容ノイズスペクトル
   が、上記入力オーディオ信号のスペクトルに従って与え
   られるようなノイズシェーピングを実現するフィルタ特
   性を得るための制御信号を生成することを特徴とする請
   求項７記載のノイズ低減装置。
10. 【請求項１０】 上記フィルタ制御手段は、上記入力信
    号の信号レベルが小さいときには等ラウドネス曲線を考
    慮に入れ、同信号レベルが大きくなるに従ってマスキン
    グ効果を考慮に入れた許容ノイズスペクトルが、上記入
    力オーディオ信号の信号レベルに応じて与えられるよう
    なノイズシェーピングを実現するためのフィルタ特性を
    得る制御信号を生成することを特徴とする請求項７記載
    のノイズ低減装置。