説明

信号再生装置

【課題】本発明は、可変電圧電源からスイッチングアンプに供給される電圧値の増減の逆特性を簡単な制御で帰還ループに持たせることでき、負帰還ループゲインを一定に保つことができる信号再生装置を提供することを課題とする。
【解決手段】A/D変換回路8によってデジタル信号に変換されたスイッチングアンプ2からの出力信号を1ビットデジタル信号変調手段の入力側に負帰還させると共に、スイッチングアンプ2に供給される定電圧の電圧値の増減に応じて、A/D変換回路8からの出力信号のゲインを調整するように構成することにより、可変電圧電源22からスイッチングアンプ2に供給される電圧値の増減とA/D変換回路8からの出力信号のゲイン調整とをデジタル的に行うことで、可変電圧電源22からスイッチングアンプ2に供給される電圧値の増減の逆特性を簡単な制御で帰還ループFLに持たせることできる

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、入力されたマルチビット信号であるPCM信号をパルス密度変調(PDM)信号やパルス幅変調(PWM)信号等の1ビットデジタル信号に変調し、変調した1ビットデジタル信号をスイッチングアンプのスイッチング動作によって増幅し、スイッチングアンプからの出力信号により再生を行う信号再生装置に関し、特に負帰還によって信号の歪を抑制する信号再生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
図4は、従来の信号再生装置の構成を示す図である。
従来、マルチビット信号であるPCM信号を1ビットデジタル信号に変調して再生を行う信号再生装置は、図4(a)に示すように、加算器,遅延器等のロジック回路で構成されたデルタシグマ変調回路1と、スイッチングアンプ2と、ローパスフィルタ3と、スピーカ4とからなり、入力されたPCM信号は、デルタシグマ変調回路1によって1ビットデジタル信号であるPDM信号に変調され、変調されたPDM信号がスイッチングアンプ2によって所定の定電圧のパルス信号にレベルシフト(電力増幅)された後、ローパスフィルタ3でアナログ音声信号に復調され、スピーカ4によって音響化される。
【0003】
図4(a)に示す信号再生装置においては、スイッチングアンプ2において様々な要因により発生する信号の歪を抑制することができないため、本出願人は、負帰還によってスイッチングアンプ2において発生する信号の歪を抑制することができる信号再生装置を提案した。当該信号再生装置は、図4(b)に示すように、第一のデルタシグマ変調回路11と、スイッチングアンプ2と、ローパスフィルタ3と、スピーカ4と、減衰器5と、加算器6と、第二のデルタシグマ変調回路12とからなり、加算器6と第二のデルタシグマ変調回路12とを第一のデルタシグマ変調回路11とスイッチングアンプ2との間に設けると共に、減衰器5を介してスイッチングアンプ2の出力信号を第一のデルタシグマ変調回路11と第二のデルタシグマ変調回路12との間に設けられた加算器6にフィードバックするように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
第一のデルタシグマ変調回路11から出力されるPDM信号、およびスイッチングアンプ2から出力される電力増幅されたPDM信号は、1ビットデジタル信号と称されることが多いが、従来技術において、両PDM信号は、信号の電圧変動要素を有するアナログ信号として処理されており、実際、帰還ループFLを含め、加算器6以降は、オペアンプ等のアナログ素子で構成されているアナログ回路である。
【0005】
従って、音量調整のためにスイッチングアンプ2に供給される定電圧の電圧値を増減させる場合には、発振限界を保ち安定したデルタシグマ変調を行えるように、負帰還ループFLに設けられた減衰器5によって負帰還ループゲインを一定に保つためのアナログ制御が行われている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
しかしながら、従来技術では、減衰器2によるアナログ制御によって負帰還ループゲインを一定に保つように構成されているが、可変電圧電源22からスイッチングアンプ2に供給される電圧値の増減の完全な逆特性を帰還ループに持たせることは、アナログ制御では困難であり、また素子のばらつきや温度変化による特性変化もあり、負帰還信号のループゲインを安定して一定に保つことができないという問題があった。
【特許文献1】特開2004−172735号公報
【特許文献2】特開2000−295049号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可変電圧電源からスイッチングアンプに供給される電圧値の増減の逆特性を簡単な制御で帰還ループに持たせることでき、負帰還ループゲインを一定に保つことができる信号再生装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の信号再生装置は、入力マルチビット信号を1ビットデジタル信号変調手段によって1ビットデジタル信号に変調し、スイッチングアンプのスイッチング動作によって前記1ビットデジタル信号を増幅し、前記スイッチングアンプからの出力信号をローパスフィルタによって音響信号に再生する信号再生装置であって、前記スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値を変化させることができる可変電圧電源と、前記スイッチングアンプからの出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、前記A/D変換手段からの出力信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、該ゲイン調整手段によってゲインが調整された前記A/D変換手段からの出力信号を前記入力マルチビット信号から減算する減算手段と、前記可変電圧電源によって前記スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値の増減に応じて前記ゲイン調整手段のゲインを設定するコントロール手段とを具備し、前記減算手段は、前記1ビットデジタル信号変調手段の前段に位置させ、前記コントロール手段は、前記可変電圧電源によって前記スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値がN倍されると、前記ゲイン調整手段のゲインを1/N倍にさせることを特徴とする。
【0009】
さらに、本発明の信号再生装置は、前記スイッチングアンプからの出力信号が減算された前記マルチビット信号のゲインを調整するアッテネータを具備することを特徴とする。
【0010】
さらに、本発明の信号再生装置は、前記スイッチングアンプからの出力信号が減算された前記マルチビット信号の周波数帯域を制限するローパスフィルタを具備し、前記ローパスフィルタの伝達関数は、可聴帯域において略1倍に設定されていることを特徴とする。
【0011】
さらに、本発明の信号再生装置は、前記1ビットデジタル信号変調手段および前記A/D変換手段は、入力信号をPDM信号に変調するデルタシグマ変調回路であることを特徴とする。
【0012】
さらに、本発明の信号再生装置は、前記1ビットデジタル信号変調手段および前記A/D変換手段は、同一のサンプリング周波数であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明の信号再生装置は、1ビットデジタル信号変調手段によって入力されたマルチビット信号を1ビットデジタル信号に変調し、スイッチングアンプのスイッチング動作によって1ビットデジタル信号を増幅し、スイッチングアンプからの出力信号をローパスフィルタによって音響信号に再生する信号再生装置であって、A/D変換手段によってデジタル信号に変換されたスイッチングアンプからの出力信号を1ビットデジタル信号変調手段の入力側に負帰還させると共に、スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値の増減に応じて、A/D変換手段からの出力信号のゲインを調整するように構成することにより、可変電圧電源からスイッチングアンプに供給される電圧値の増減とA/D変換手段からの出力信号のゲイン調整とをデジタル的に行うことで、可変電圧電源からスイッチングアンプに供給される電圧値の増減の逆特性を簡単な制御で帰還ループに持たせることできるため、音量調整のためにスイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値を増減させても負帰還ループゲインを一定に保つことができるという効果を奏する。
【0014】
さらに、本発明の信号再生装置は、減算手段の出力信号のゲインを調整する乗算器を設けることにより、乗算器のゲインを非常に大きく設定することで、1ビットデジタル信号変調手段によって発生する量子化ノイズを低減させることができるという効果を奏する。
【0015】
さらに、本発明の信号再生装置は、減算手段の出力信号の周波数帯域を制限するローパスフィルタを設けることにより、1ビットデジタル信号変調手段によって発生する量子化ノイズと、スイッチングアンプで発生する信号の歪とを低減させることができるという効果を奏する。
【0016】
さらに、本発明の信号再生装置は、入力信号をPDM信号に変調するデルタシグマ変調回路を1ビットデジタル信号変調手段およびA/D変換手段として用いることにより、A/D変換手段で発生する恐れのある群遅延の問題を回避することができるという効果を奏する。
【0017】
さらに、本発明の信号再生装置は、1ビットデジタル信号変調手段およびA/D変換手段を同一の周波数のクロックで動作させることにより、A/D変換手段の後段にオーバーサンプリング回路やデシメーションフィルタ等の余分な回路を設けることなく、1ビットデジタル信号変調手段に入力されるマルチビット信号と1ビットデジタル信号変調手段の入力側に負帰還されるスイッチングアンプからの出力信号との周波数を合わすことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0019】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明に係る信号再生装置の第1の実施の形態の構成を示す図である。
【0020】
第1の実施の形態は、図1を参照すると、1ビットデジタル信号変調手段であるデルタシグマ変調回路1と、スイッチングアンプ2と、ローパスフィルタ3と、スピーカ4と、ローパスフィルタ7と、A/D変換回路8と、加算器9とでからなり、加算器9をデルタシグマ変調回路1の入力側に設けると共に、ローパスフィルタ7およびA/D変換回路8を介してスイッチングアンプ2からの出力信号を加算器9に負帰還させるように構成されている
【0021】
デルタシグマ変調回路1は、加算器,遅延器等のロジック回路で構成され、入力されたマルチビット信号であるPCM信号を1ビットデジタル信号であるPDM信号に変調し、変調したPDM信号をスイッチングアンプ2に出力する。
【0022】
スイッチングアンプ2は、定電圧電源が供給されており、デルタシグマ変調回路1から入力されたPDM信号を定電圧電源のレベルのパルス信号にレベルシフトしてローパスフィルタ3に出力すると共に、帰還ループFLに負帰還信号として出力する。
【0023】
ローパスフィルタ3は、コイル、コンデンサー等からなり、スイッチングアンプ2によって電力増幅されたPDM信号を積分してアナログ音声信号に変換し、変換したアナログ音声信号をスピーカ4に出力し、スピーカ4によって音響化させる。
【0024】
ローパスフィルタ7は、帰還ループFL上に設けられ、後続するA/D変換回路8における折り返しノイズ成分を負帰還信号からカットオフするフィルタであり、カットオフ周波数が十分高く設定されている。なお、負帰還信号にA/D変換回路8における折り返しノイズとなる成分が含まれていない場合には、ローパスフィルタ7を省略し、負帰還信号を直接A/D変換回路8に入力するようにしても良い。
【0025】
A/D変換回路8は、ローパスフィルタ7によって折り返しノイズ成分がカットオフされた負帰還信号をデジタル信号に変換し、加算器9に負帰還させ、デルタシグマ変調回路1に入力されるPCM信号からデジタル信号に変換された負帰還信号を減算させる。なお、A/D変換回路8のサンプリング周波数は、デルタシグマ変調回路1のサンプリング周波数と同一に設定されており、A/D変換回路8の後段に余分な回路を設けることなく、加算器9においてPCM信号と負帰還信号との周波数を合わすことができるようになっている。A/D変換回路8とデルタシグマ変調回路1とのサンプリング周波数に微妙なずれが合った場合、ビートが発生する可能性があると共に、A/D変換回路8とデルタシグマ変調回路1とのサンプリング周波数を等倍/等分の一に設定した場合には、A/D変換回路8の後段にオーバーサンプリング回路やデシメーションフィルタ等の余分な回路が必要になってしまう。
【0026】
次に、第1の実施の形態によってスイッチングアンプ2における信号歪が補正される原理について図2を参照して詳細に説明する。
図2は、図1に示す信号再生装置おいて信号歪が補正効果を説明するための説明図である。である。
【0027】
一般的なサーボの話として、実際には、サーボループ内のどこかにゲインを持たせたり、周波数的な特性を持たせたりすることになる。従って、比較的シンプルな例として図3に示すモデルを考え、非常に大きなゲインを持つ乗算器20とカットオフ周波数を可聴帯域前後に持つローパスフィルタ21とをデルタシグマ変調回路1の入力側に配置した。ここで各素子のそれぞれの伝達関数を、乗算器20は、G、ローパスフィルタ21は、L、デルタシグマ変調回路1は、フラットなゲイン特性(1倍)、スイッチングアンプ2は、A、ローパスフィルタ7は、L、A/D変換回路8は、フラットなゲイン特性(1倍)とし、入力信号をI、出力信号をO、デルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズをN、スイッチングアンプ2で発生する信号の歪をNとすると、出力Oの特性は、以下に示す数式Aとなる。
【0028】
【数1】

【0029】
ここでローパスフィルタ7は、カットオフ周波数が十分に高いので、Lをフラットな特性(1倍)であるとすると共に、スイッチングアンプ2の伝達関数A=1とすると、出力Oの特性は、以下に示す数式Bで表すことができる。
【0030】
【数2】

【0031】
次に、Lのローパスフィルタ21の減衰特性を3つの帯域に分け、数式Bを評価していく。
(1)L≒1倍の周波数帯域
G≫1倍、L≒1倍であるのでGL≫1倍となり、よって分母の「1+」は無視できる。従って、次式に示すように数式Bにおいてデルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズNとスイッチングアンプ2で発生する信号の歪Nが消え、入力信号Iがそのまま出力信号Oとして出てくることがわかる。
【0032】
【数3】

【0033】
(2)L≒(1/G)倍の周波数帯域
GのゲインとLの減衰特性とが相殺されGL≒1倍となり、分母の「1+」が無視できなくなり、次式に示すようにデルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズNおよびスイッチングアンプ2で発生する信号の歪Nが1/2倍となるが、入力信号Iも1/2になってしまい、仮にこの周波数帯域が可聴帯域であれば音響信号が減衰して聞こえることになる。従って、設計時には、可聴帯域より十分高い周波数帯域に、L≒(1/G)倍の周波数帯域を持ってくる必要がある。
【0034】
【数4】

【0035】
(3)L≪(1/G)倍の周波数帯域
GのゲインよりLの減衰特性が強いため、GL≒0倍に近づき、次式に示すように、デルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズNおよびスイッチングアンプ2で発生する信号の歪Nがそのまま残り、入力信号Iが消えてしまうが、両方とも、可聴帯域より十分高い周波数なので問題ない。
【0036】
【数5】

【0037】
このように、L≒1倍の周波数帯域においてデルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズNおよびスイッチングアンプ2で発生する信号の歪Nをほぼ完全に補正することができると共に、L≒(1/G)倍の周波数帯域において、デルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズNおよびスイッチングアンプ2で発生する信号の歪Nを1/2倍に補正することができる。実際には、Lの減衰特性や、ここには示していないサーボの安定(発振しない)条件などに注意しなければならないが、正しく設計すれば、スイッチングアンプ2で発生する信号の歪Nを除去できるばかりでなく、量子化ノイズNに対しても可聴帯域で減衰させることが可能になる。
【0038】
なお、帰還ループFLにあるA/D変換回路8がオーディオ用マルチビットA/D変換回路の場合には、処理時間遅れが大きく、群遅延が発生し、サーボの安定条件を満たすことが困難である場合があり、この場合には、A/D変換回路8としてデルタシグマ変調回路を用いることで群遅延の問題を回避することができる。加算器9への入力は、デジタル信号であれば、1bit信号でも良く、加算器9の入り口で、例えば、‘0’を”7FFF(hex)”に、‘1’を”8000(hex)”に置き換えてやればよい。ただし、A/D変換回路8としてデルタシグマ変調回路を用いた場合には、A/D変換回路8として用いるデルタシグマ変調回路で発生する量子化ノイズNは、デルタシグマ変調回路1で発生する量子化ノイズNと違って可聴帯域で減衰しないので、A/D変換回路8として用いるデルタシグマ変調回路で発生する量子化ノイズNを低く抑えておく必要がある。
【0039】
また、第1の実施の形態では、入力されたマルチビット信号であるPCM信号を1ビットデジタル信号に変調する1ビットデジタル信号変調手段としてデルタシグマ変調回路1を用いる例について説明したが、入力されたマルチビット信号であるPCM信号を1ビットデジタル信号であるPWM信号に変調するPWM信号変調回路を1ビットデジタル信号変調手段として用いるようにしても良い。
【0040】
(第2の実施の形態)
図3は、本発明に係る信号再生装置の第2の実施の形態の構成を示す図である。
【0041】
第2の実施の形態は、図3を参照すると、スイッチングアンプ2に供給する定電圧の電圧値を可変にすることで、再生音量を制御することができる構成となっており、第1の実施の形態の構成に加え、スイッチングアンプ2に供給する定電圧を変化させることができる可変電圧電源22と、A/D変換回路8からの出力信号、すなわち加算器9に負帰還される信号のゲインを調整するゲイン調整手段23と、可変電圧電源22がスイッチングアンプ2に供給する定電圧の電圧値と、ゲイン調整手段23のゲインとを制御するマイコン24とを備えている。
【0042】
マイコン24は、図示しない音量調整手段によって設定された音量レベルに応じて、可変電圧電源22からスイッチングアンプ2に供給される定電圧の電圧値を設定すると共に、スイッチングアンプ2に供給される定電圧の電圧値がN倍されると、ゲイン調整手段23のゲインを1/N倍に設定するように構成されており、スイッチングアンプ2に供給される定電圧の電圧値の増減に応じて、その逆数のゲインを帰還ループFLの中に持たせることで、サーボループの安定化を図ることができるようになっている。
【0043】
以上説明したように、本実施の形態によれば、デルタシグマ変調回路1によって入力されたPCM信号をPDM信号に変調し、スイッチングアンプ2のスイッチング動作によってPDM信号を増幅し、スイッチングアンプ2からの出力信号により再生を行う信号再生装置であって、A/D変換回路8によってデジタル信号に変換されたスイッチングアンプ2からの出力信号を1ビットデジタル信号変調手段の入力側に負帰還させると共に、スイッチングアンプ2に供給される定電圧の電圧値の増減に応じて、A/D変換回路8からの出力信号のゲインを調整するように構成することにより、可変電圧電源22からスイッチングアンプ2に供給される電圧値の増減とA/D変換回路8からの出力信号のゲイン調整とをデジタル的に行うことで、可変電圧電源22からスイッチングアンプ2に供給される電圧値の増減の逆特性を簡単な制御で帰還ループFLに持たせることできるため、音量調整のためにスイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値を増減させても負帰還ループゲインを一定に保つことができるという効果を奏する。
【0044】
さらに、本実施の形態によれば、加算器9の出力信号のゲインを調整する乗算器20を設けることにより、乗算器20のゲインを非常に大きく設定することで、デルタシグマ変調回路1によって発生する量子化ノイズを低減させることができるという効果を奏する。
【0045】
さらに、本実施の形態によれば、加算器9の出力信号の周波数帯域を制限するローパスフィルタ21を設けることにより、デルタシグマ変調回路1によって発生する量子化ノイズと、スイッチングアンプ2で発生する信号の歪とを低減させることができるという効果を奏する。
【0046】
さらに、本実施の形態によれば、入力信号をPDM信号に変調するデルタシグマ変調回路をA/D変換手段として用いることにより、A/D変換回路8で発生する恐れのある群遅延の問題を回避することができるという効果を奏する。
【0047】
さらに、本実施の形態によれば、デルタシグマ変調回路1およびA/D変換回路8を同一の周波数のクロックで動作させることにより、A/D変換回路8の後段にオーバーサンプリング回路やデシメーションフィルタ等の余分な回路を設けることなく、デルタシグマ変調回路1に入力されるマルチビット信号とデルタシグマ変調回路1の入力側に負帰還されるスイッチングアンプ2からの出力信号との周波数を合わすことができるという効果を奏する。
【0048】
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1】本発明に係る信号再生装置の第1の実施の形態の構成を示す図である。
【図2】図1に示す信号再生装置おいて信号歪が補正効果を説明するための説明図である。
【図3】本発明に係る信号再生装置の第2の実施の形態の構成を示す図である。
【図4】従来の信号再生装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【0050】
1 デルタシグマ変調回路
2 スイッチングアンプ
3 ローパスフィルタ
4 スピーカ
7 ローパスフィルタ
8 A/D変換回路
9 加算器
20 アッテネータ
21 ローパスフィルタ
22 可変電圧電源
23 アンプ
24 マイコン

【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力マルチビット信号を1ビットデジタル信号変調手段によって1ビットデジタル信号に変調し、スイッチングアンプのスイッチング動作によって前記1ビットデジタル信号を増幅し、前記スイッチングアンプからの出力信号をローパスフィルタによって音響信号に再生する信号再生装置であって、
前記スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値を変化させることができる可変電圧電源と、
前記スイッチングアンプからの出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、
前記A/D変換手段からの出力信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、
該ゲイン調整手段によってゲインが調整された前記A/D変換手段からの出力信号を前記入力マルチビット信号から減算する減算手段と、
前記可変電圧電源によって前記スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値の増減に応じて前記ゲイン調整手段のゲインを設定するコントロール手段とを具備し、
前記減算手段は、前記1ビットデジタル信号変調手段の前段に位置させ、
前記コントロール手段は、前記可変電圧電源によって前記スイッチングアンプに供給される定電圧の電圧値がN倍されると、前記ゲイン調整手段のゲインを1/N倍にさせることを特徴とする信号再生装置。
【請求項2】
前記減算手段の出力信号のゲインを調整する乗算器を具備することを特徴とする請求項1記載の信号再生装置。
【請求項3】
前記減算手段の出力信号の周波数帯域を制限するローパスフィルタを具備することを特徴とする請求項1又は2記載の信号再生装置。
【請求項4】
前記1ビットデジタル信号変調手段および前記A/D変換手段は、入力信号をPDM信号に変調するデルタシグマ変調回路であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の信号再生装置。
【請求項5】
前記1ビットデジタル信号変調手段および前記A/D変換手段は、同一の周波数のクロックで動作することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の信号再生装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−110646(P2007−110646A)
【公開日】平成19年4月26日(2007.4.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−302108(P2005−302108)
【出願日】平成17年10月17日(2005.10.17)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)
【Fターム(参考)】