JP2010109402A - DeltaSigma MODULATOR - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力されたデジタル信号に対する再量子化を行って、より少ないビット数のデジタル信号に変換すると共に、その際の量子化雑音の影響を軽減するΔΣ変調器に関する。 The present invention relates to a ΔΣ modulator that performs requantization on an input digital signal to convert it to a digital signal having a smaller number of bits, and reduces the influence of quantization noise at that time.
シリコンオーディオプレイヤやCD(Compact Disc)プレイヤなどのオーディオ再生機能を有する電子機器において、省電力を目的としてD級アンプが用いられるようになってきた。D級アンプは、パルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)信号やパルス密度(Pulse Density Modulation:PDM)信号を入力され動作する。 In an electronic device having an audio reproduction function such as a silicon audio player or a CD (Compact Disc) player, a class D amplifier has been used for the purpose of power saving. The class D amplifier operates by receiving a pulse width modulation (PWM) signal or a pulse density (PDM) signal.
ΔΣ変調器は、原信号として例えば、パルス符号変調(Pulse Code Modulation:PCM)信号を入力され、当該原信号をより少ないビット数のデジタル信号に再量子化して出力する。ΔΣ変調器は、再量子化の過程にてΔΣ変調を行い、量子化雑音によるSN比の劣化をノイズシェーピングにより改善する。ΔΣ変調器の出力信号は、例えば、PWM信号に変換され、D級増幅された後、スピーカ等の負荷を駆動するアナログ信号に変換される。 The ΔΣ modulator receives, for example, a pulse code modulation (PCM) signal as an original signal, re-quantizes the original signal into a digital signal having a smaller number of bits, and outputs the digital signal. The delta-sigma modulator performs delta-sigma modulation in the process of requantization, and improves the SN ratio degradation due to quantization noise by noise shaping. The output signal of the ΔΣ modulator is converted into, for example, a PWM signal, amplified in class D, and then converted into an analog signal for driving a load such as a speaker.
図4は、従来のΔΣ変調器2のブロック構成図である。ΔΣ変調器2は、再量子化器4、加算器6,8、及びノイズシェーピングフィルタ10からなり、入力波形データX(z)を処理して出力波形データY(z)を生成する。例えば、ΔΣ変調器2がマルチビットΔΣ方式の場合には、この出力波形データY(z)はPWM変換器にてPWM信号に変換される。ちなみに、X(z)やY(z)は、時間領域での入力波形データx(t)、出力波形データy(t)をz変換したものを表す。後に現れるW(z)についても同様である。このΔΣ変調器2の基本特性は、ハイパスフィルタであるノイズシェーピングフィルタ10の伝達関数をH(z)、加算器8から再量子化器4に入力される信号に対して再量子化器4にて付加される量子化雑音をQ(z)とすると、次式で表される。
Y(z)=X(z)+(1−H(z))Q(z) ………(1)
FIG. 4 is a block diagram of a
Y (z) = X (z) + (1-H (z)) Q (z) (1)
(1)式の右辺第2項は、量子化雑音Q(z)を伝達関数(1−H(z))でノイズシェーピングした後の雑音を表している。このノイズシェーピング処理は、リニアPCM方式にて周波数によらず等しく平均的に存在する量子化雑音を高周波成分へシフトする効果を有する。この高周波帯域への量子化雑音のシフトにより、低周波帯域では量子化雑音が少なくなる。具体的には、オーバーサンプリングにより入力波形データX(z)のナイキスト周波数を高め、低周波帯域に可聴帯域を包含させ、可聴帯域より高周波の帯域へ量子化雑音の重心をシフトさせる。その上で、例えば、デジタルフィルタやアクティブフィルタからなるローパスフィルタを用いて高周波帯域を除去することで、量子化雑音が低減した原信号の復元が可能となる。 The second term on the right side of Equation (1) represents the noise after the noise shaping of the quantization noise Q (z) with the transfer function (1-H (z)). This noise shaping process has the effect of shifting the quantization noise that is present on the average equally regardless of the frequency in the linear PCM method to a high frequency component. Due to this shift of the quantization noise to the high frequency band, the quantization noise is reduced in the low frequency band. Specifically, the Nyquist frequency of the input waveform data X (z) is increased by oversampling, the audible band is included in the low frequency band, and the centroid of the quantization noise is shifted from the audible band to the high frequency band. In addition, for example, by removing a high frequency band using a low-pass filter including a digital filter or an active filter, it is possible to restore the original signal with reduced quantization noise.
この入力波形データx(t)にノイズシェーピングフィルタ10を用いて合成される量子化雑音は高周波で変動し得、当該量子化雑音を合成された後の信号波形は、図5に示すように合成前の波形12を中心として上下に高周波で振動する波形14が重畳されたものとなる。図6は、入力波形データx(t)(図6(a))及びノイズシェーピング処理後の波形データy(t)(図6(b))を示す模式図であり、横軸が時間、縦軸がデータの値である。図6は入力波形が正弦波である例を示している。図6(b)は、ノイズシェーピング処理後の波形データを概念的に示すものであり、波形データのおよその分布範囲(量子化雑音の振動幅)を示している。図6(b)において当該分布範囲の上端及び下端は、ノイズシェーピングしない場合の出力(実線で示す波形12)の上下に示す点線14u,14dで表されている。
図7は、図6と同様、入力波形データx(t)(図7(a))及びノイズシェーピング処理後の波形データy(t)(図7(b))を示す模式図である。図6では入力波形である正弦波の変動幅がデータの制限幅(−1〜+1)より小さく、またノイズシェーピング後のデータの分布も制限幅(−1〜+1)に収まる状態を示したが、図7は、正弦波の振幅が1より大きく、入力波形がデータの絶対値の上限“1”に達し、波形クリップを生じている状態を示している。 FIG. 7 is a schematic diagram showing input waveform data x (t) (FIG. 7A) and waveform data y (t) after noise shaping processing (FIG. 7B), as in FIG. FIG. 6 shows a state in which the fluctuation width of the sine wave as the input waveform is smaller than the data limit width (−1 to +1) and the data distribution after noise shaping is also within the limit width (−1 to +1). FIG. 7 shows a state where the amplitude of the sine wave is larger than 1, the input waveform reaches the upper limit “1” of the absolute value of the data, and a waveform clip is generated.
ノイズシェーピング処理後の波形データは上述のように入力波形データに対応する値を中心として上下に分布する。ここで、入力波形データの絶対値が上限にクリップした状態や上限に近い状態では、ノイズシェーピング後の量子化雑音に対応して生じるデータの分布のうち上限寄り部分がクリップされる。そのため、データの分布範囲の上端(点線14u)のクリップ(期間PCL+)により、ノイズシェーピング後の量子化雑音で生じるデータの分布が本来よりも値が小さい方に偏り、逆に、データの分布範囲の下端(点線14d)のクリップ(期間PCL−)により、分布は本来よりも値が大きい方に偏る。この分布の偏りにより、出力波形データに基づいて再生されるアナログ信号は、波形クリップが生じる期間PCL+,PCL−にて、振幅がデータの制限幅(−1〜+1)で規定される値より小さくなり、パワーが本来よりも低下するという問題があった。
As described above, the waveform data after the noise shaping process is distributed up and down around the value corresponding to the input waveform data. Here, when the absolute value of the input waveform data is clipped to the upper limit or is close to the upper limit, a portion near the upper limit in the distribution of data generated corresponding to the quantization noise after noise shaping is clipped. Therefore, due to the clip (period P CL + ) at the upper end (dotted
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、入力波形データがクリップしたりそれに近い状態となった場合における出力信号のパワーダウンが抑制されるΔΣ変調器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a ΔΣ modulator in which power-down of an output signal is suppressed when input waveform data is clipped or becomes close to it. And
本発明に係るΔΣ変調器は、nビット(nは自然数である)の入力波形データに基づく処理対象データを再量子化してmビット(mはm<nなる自然数である)の出力波形データを生成する再量子化器と、前記出力波形データに生じる量子化雑音に対してΔΣ変調によるノイズシェーピング処理を行い、前記処理対象データにフィードバックされる帰還雑音データを生成する帰還回路と、前記処理対象データに前記帰還雑音データをフィードバックした場合には波形クリップが生じ得ることを検知するクリップ検知手段と、前記波形クリップが生じ得ることが検知された場合に、前記帰還雑音データのフィードバックを停止させる帰還停止手段と、を有する。 The delta-sigma modulator according to the present invention re-quantizes processing target data based on n-bit (n is a natural number) input waveform data, and outputs m-bit output waveform data (m is a natural number satisfying m <n). A requantizer to generate, a feedback circuit for performing noise shaping processing by ΔΣ modulation on quantization noise generated in the output waveform data, and generating feedback noise data fed back to the processing target data; and the processing target Clip detecting means for detecting that a waveform clip can occur when the feedback noise data is fed back to data, and feedback for stopping feedback of the feedback noise data when it is detected that the waveform clip can occur Stopping means.
本発明によれば、ノイズシェーピング処理後にて波形クリップが生じ得る期間は、ノイズシェーピング処理を停止させるので、ノイズシェーピング後の量子化雑音に応じたデータの分布は生じない。よって、クリップによって当該データの分布が偏るという現象(以下、データ分布のバイアスと呼ぶことがある。)も生じず、当該偏りに起因する出力信号のパワーダウンが回避される。 According to the present invention, since the noise shaping process is stopped during a period when the waveform clip can occur after the noise shaping process, the data distribution according to the quantization noise after the noise shaping does not occur. Therefore, the phenomenon that the distribution of the data is biased by the clip (hereinafter, sometimes referred to as a bias of the data distribution) does not occur, and the power down of the output signal due to the bias is avoided.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係るΔΣ変調器を用いたデジタルオーディオ機器20の概略のブロック図である。デジタルオーディオ機器20では、CD,DVD等のデジタル記録媒体から再生されたPCM信号を、ON,OFFスイッチング動作で増幅作用をするD級アンプに適した信号に変換している。先ずCD,DVD等のデジタル記録媒体22に記録された高精度(16〜24ビット)のPCM信号がPCM信号再生器24で読み出される。オーバーサンプラ26は、デジタル記録媒体22から読み出されたデジタル信号に対して補間等の処理を行ってサンプリング周波数を高め、ハイレートPCM信号を生成する。
FIG. 1 is a schematic block diagram of a
ノイズシェーパ28は、本発明に係るΔΣ変調器を用いて構成され、オーバーサンプラ26から入力される高精度ハイレートPCM信号を再量子化して低精度(4〜9ビット程度)のPCM信号に変換する。ノイズシェーパ28は、同時にこの時発生する量子化雑音の周波数スペクトルを高域に偏らせ、オーディオ帯域でのノイズを低減する。
The
PWM変換器30は、ノイズシェーパ28の出力信号である低精度PCM信号を、PWM信号に変換する。D級アンプ32は、例えば、Hブリッジ回路を有し、PWM変換器30からのPWM信号に基づいて、Hブリッジ回路を構成する2つのプッシュプル回路のトランジスタのON,OFFを切り替え、当該2つのプッシュプル回路の出力端子に増幅されたPWM信号として正相PWM出力と逆相PWM出力とが得られる。この出力信号は通常、2次のLCフィルターからなるローパスフィルタ(Low Pass Filter:LPF)34でアナログ信号に復調され、スピーカ36を駆動する。
The
図2は、ノイズシェーパ28を構成するΔΣ変調器40の概略の構成を示すブロック図である。ΔΣ変調器40は、再量子化器42、加算器44,46、ノイズシェーピングフィルタ48、クリップ検知回路50、及びセレクタ52を有する。ΔΣ変調器40は、オーバーサンプラ26からの高精度ハイレートPCM信号を入力波形データX(z)とし、再量子化器42にて基本的にX(z)に対する再量子化を行って、低精度ハイレートPCM信号である出力波形データY(z)を生成し、この出力波形データY(z)はPWM変換器30に入力される。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the
再量子化器42での再量子化により、出力波形データY(z)には量子化雑音Q(z)が付加される。ΔΣ変調器40は、量子化雑音Q(z)に対してΔΣ変調によるノイズシェーピング処理を行い、再量子化器42に処理対象データとして入力されるデータW(z)にフィードバックされる帰還雑音データを生成する帰還回路を有する。
By re-quantization by the
この帰還回路は、加算器46、ノイズシェーピングフィルタ48、セレクタ52及び加算器44からなる。加算器46は、再量子化器42の出力波形データY(z)から量子化雑音Q(z)を抽出する。本実施形態では、加算器46は、再量子化器42への入力データW(z)から出力波形データY(z)を減算して、−Q(z)を出力する。すなわち、加算器46は次式で表される演算を行う。
W(z)−Y(z)=−Q(z) ………(2)
This feedback circuit includes an
W (z) -Y (z) =-Q (z) (2)
ノイズシェーピングフィルタ48は、伝達関数H(z)を有するハイパスフィルタであり、加算器46から、−Q(z)を入力され、量子化雑音Q(z)のパワースペクトルを変換して帰還雑音データ(−H(z)Q(z))を生成し出力する。ノイズシェーピングフィルタ48から出力される帰還雑音データ(−H(z)Q(z))は、セレクタ52を介して加算器44に入力され得る。
The
加算器44は、入力波形データX(z)にセレクタ52の出力データを加算合成し、再量子化器42の処理対象データW(z)を生成する。
The
セレクタ52は、クリップ検知回路50の出力により制御され、ノイズシェーピングフィルタ48から入力される帰還雑音データ(−H(z)Q(z))と、値“0”とのいずれかを選択的に出力する。
The
クリップ検知回路50は、処理対象データW(z)に帰還雑音データ(−H(z)Q(z))をフィードバックした場合、つまり加算器44にて入力波形データX(z)と帰還雑音データ(−H(z)Q(z))とを加算合成した場合に、それにより得られる処理対象データw(t)に上限値“+1”又は下限値“−1”で制限される波形クリップが生じ得ることを検知する。本実施形態ではクリップ検知回路50は、入力波形データx(t)を入力され、x(t)の絶対値が所定の閾値xTHを超えた場合に波形クリップが生じ得ると判定する。閾値xTHは、範囲(−1〜+1)で定義される入力波形データx(t)又は処理対象データw(t)の絶対値の上限値“+1”に対して帰還雑音データ(−H(z)Q(z))の変動幅に応じた差を有する値に設定される。帰還雑音データ(−H(z)Q(z))の変動幅は、基本的に0近傍にピークを有する帰還雑音データ(−H(z)Q(z))の分布の形態に配慮して設定され、当該分布の拡がりを表す種々のパラメータのうちから選択することができる。例えば、分布の偏差や、最大振幅などが(1−xTH)となるように閾値xTHが設定される。
The
クリップ検知回路50は、波形クリップが生じないと判定した場合には、セレクタ52がノイズシェーピングフィルタ48からの帰還雑音データ(−H(z)Q(z))を出力するようにセレクタ52を制御する。一方、波形クリップが生じると判定した場合には、セレクタ52から値“0”が出力されるように制御する。
When the
クリップ検知回路50が波形クリップが生じないと判定した場合には、再量子化器42の処理対象データW(z)は次式で与えられる。
W(z)=X(z)−H(z)Q(z) ………(3)
When the
W (z) = X (z) -H (z) Q (z) (3)
この場合、(2)式及び(3)式から、ΔΣ変調器40の特性は、
Y(z)=X(z)+(1−H(z))Q(z) ………(4)
となる。すなわち、この場合のΔΣ変調器40の特性は、(1)式の特性を有する上述の従来のΔΣ変調器2と同様となる。
In this case, from the equations (2) and (3), the characteristic of the
Y (z) = X (z) + (1−H (z)) Q (z) (4)
It becomes. That is, the characteristic of the
一方、クリップ検知回路50が波形クリップが生じ得ると判定した場合には、再量子化器42の処理対象データW(z)は次式で与えられる。
W(z)=X(z) ………(5)
On the other hand, when the
W (z) = X (z) (5)
この場合、(2)式及び(5)式から、ΔΣ変調器40の基本特性は、
Y(z)=X(z)+Q(z) ………(6)
となる。すなわち、この場合には、ノイズシェーピングによる量子化雑音の振動が信号波形に重畳されない。
In this case, from the equations (2) and (5), the basic characteristic of the
Y (z) = X (z) + Q (z) (6)
It becomes. That is, in this case, the vibration of the quantization noise due to noise shaping is not superimposed on the signal waveform.
図3は、入力波形データx(t)(図3(a))及び処理対象データw(t)又は出力波形データy(t)(図3(b))を示す模式図であり、横軸が時間、縦軸がデータの値である。図3は、図7の場合と同様、入力波形は正弦波であり、その振幅が1より大きく波形クリップが生じる状態を示している。図3(b)は、図6(b)や図7(b)と同様、ノイズシェーピング処理後の波形データを概念的に示すものであり、波形データのおよその分布範囲(ノイズシェーピング後の量子化雑音の振動幅)を示している。図3(b)において当該分布範囲の上端及び下端は、ノイズシェーピングしない場合の出力(実線で示す波形60)からそれぞれ(1−xTH)離れて上下に位置する点線62u,62dで表されている。クリップ検知回路50は、入力波形データx(t)と閾値xTHとに基づいて、ノイズシェーピング後のデータの分布範囲が波形クリップを生じる期間PCL+,PCL−を検知する。そして、当該期間PCL+,PCL−はセレクタ52を制御してノイズシェーピングを停止させる。その結果、期間PCL+,PCL−において、出力波形データy(t)はノイズシェーピングによる量子化雑音の振動を有さない波形、すなわち波形60となる。これにより、期間PCL+,PCL−にて、データの分布のバイアスによる出力信号のパワーダウンが回避される。
FIG. 3 is a schematic diagram showing input waveform data x (t) (FIG. 3A) and processing target data w (t) or output waveform data y (t) (FIG. 3B). Is the time, and the vertical axis is the data value. FIG. 3 shows a state where the input waveform is a sine wave and its amplitude is larger than 1 and a waveform clip is generated, as in FIG. FIG. 3B conceptually shows the waveform data after the noise shaping process, like FIG. 6B and FIG. 7B, and shows an approximate distribution range of the waveform data (quantum after the noise shaping). Vibration width of the noise). Upper and lower ends of the distribution range in Fig. 3 (b), respectively, from the output when no noise shaping (
なお、クリップ検知回路50は、xTH<1に設定された閾値に基づいて入力波形データx(t)からノイズシェーピング後の波形クリップの発生を推定するのではなく、入力波形データx(t)に現に波形クリップが生じていることをxTH=1に閾値を設定して検知するようにしてもよい。一方、xTH<1に設定すれば、波形60がクリップする期間(図3において期間PC)の前後の期間PB,PAにおいて、データの分布のバイアスによる出力信号のパワーダウンを回避できる。
Note that the
ちなみに、期間PB,PAはxTHを低下することで拡大され得るが、波形60から離れるほどノイズシェーピング後のデータの分布密度は低くなるので、xTHの低下量又は期間PB,PAの増加量ほどには、パワーダウン抑制の効果は増加しなくなる。また、期間PB,PAを含む期間PCL+,PCL−では、ノイズシェーピングの効果は得られず、再量子化器42の量子化雑音Q(z)がそのまま現れることになるので、SN比はノイズシェーピング中よりも低下する。よって、それらの観点を考慮して、閾値xTH又は期間PB,PAをどの程度とするかを選択することができる。
Incidentally, the periods P B and P A can be expanded by decreasing x TH , but since the distribution density of the data after noise shaping decreases as the distance from the
なお、波形クリップが生じない状態では、クリップ検知回路50はノイズシェーピングフィルタ48の出力を加算器44へ通過させるようにセレクタ52を制御する。この波形クリップが生じない範囲での入力波形データの変動に対する本実施形態の動作は図6を用いて説明した従来技術と同様であり、説明を省略する。
In a state where waveform clipping does not occur, the
また、上述の実施形態では、ノイズシェーピングを停止させるためにセレクタ52を用いているが、他の構成も可能である。例えば、ノイズシェーピングフィルタ48から加算器44へのデータの入力を単純に遮断したり、ノイズシェーピングフィルタ48を停止させてもよい。
In the above-described embodiment, the
なお、上述の実施形態では、ΔΣ変調器40をマルチビットΔΣ方式とし、その出力に基づいてPWM信号を生成する場合を説明したが、本発明は、ΔΣ変調器40が1ビットΔΣ方式である場合や、ΔΣ変調器40の出力に基づいてPDM信号を生成する場合にも適用可能である。
In the above-described embodiment, the case where the
20 デジタルオーディオ機器、22 デジタル記録媒体、24 PCM信号再生器、26 オーバーサンプラ、28 ノイズシェーパ、30 PWM変換器、32 D級アンプ、34 LPF、36 スピーカ、40 ΔΣ変調器、42 再量子化器、44,46 加算器、48 ノイズシェーピングフィルタ、50 クリップ検知回路、52 セレクタ。 20 digital audio equipment, 22 digital recording medium, 24 PCM signal regenerator, 26 oversampler, 28 noise shaper, 30 PWM converter, 32 class D amplifier, 34 LPF, 36 speaker, 40 ΔΣ modulator, 42 requantizer , 44, 46 Adder, 48 Noise shaping filter, 50 clip detection circuit, 52 selector.
Claims (3)
前記出力波形データに生じる量子化雑音に対してΔΣ変調によるノイズシェーピング処理を行い、前記処理対象データにフィードバックされる帰還雑音データを生成する帰還回路と、
前記処理対象データに前記帰還雑音データをフィードバックした場合には波形クリップが生じ得ることを検知するクリップ検知手段と、
前記波形クリップが生じ得ることが検知された場合に、前記帰還雑音データのフィードバックを停止させる帰還停止手段と、
を有することを特徴とするΔΣ変調器。 a requantizer that re-quantizes data to be processed based on n-bit (n is a natural number) input waveform data to generate m-bit (m is a natural number satisfying m <n) output waveform data;
A feedback circuit that performs noise shaping processing by ΔΣ modulation on quantization noise generated in the output waveform data, and generates feedback noise data fed back to the processing target data;
Clip detection means for detecting that a waveform clip may occur when the feedback noise data is fed back to the processing target data;
Feedback stop means for stopping feedback of the feedback noise data when it is detected that the waveform clip may occur;
A ΔΣ modulator comprising:
前記帰還回路は、
前記量子化雑音のパワースペクトルを変換して前記帰還雑音データを生成するノイズシェーピングフィルタと、
前記入力波形データに前記帰還雑音データを合成して前記処理対象データを生成する加算器と、
を有し、
前記帰還停止手段は、前記ノイズシェーピングフィルタと前記加算器との間に設けられ、前記波形クリップが生じ得ることが検知された場合に、前記ノイズシェーピングフィルタから前記加算器への前記帰還雑音データの入力を阻止すること、
を特徴とするΔΣ変調器。 The ΔΣ modulator according to claim 1,
The feedback circuit is
A noise shaping filter that converts the power spectrum of the quantization noise to generate the feedback noise data;
An adder that combines the feedback noise data with the input waveform data to generate the processing target data;
Have
The feedback stop means is provided between the noise shaping filter and the adder, and when it is detected that the waveform clip may occur, the feedback noise data from the noise shaping filter to the adder is detected. Blocking input,
A ΔΣ modulator characterized by the following.
前記クリップ検知手段は、前記入力波形データの絶対値の上限値に対して前記帰還雑音データの変動幅に応じた差を有する閾値を設定され、前記入力波形データの絶対値が前記閾値を超えた場合に、前記波形クリップが生じ得ると判定すること、を特徴とするΔΣ変調器。 The ΔΣ modulator according to claim 1 or 2,
The clip detection means is set with a threshold value having a difference corresponding to a fluctuation range of the feedback noise data with respect to an upper limit value of the absolute value of the input waveform data, and the absolute value of the input waveform data exceeds the threshold value A delta-sigma modulator characterized in that it is determined that said waveform clip can occur.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Effective date: 20110601 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 |