DE68920005T2

DE68920005T2 - Signalverarbeitungseinrichtung.

Info

Publication number: DE68920005T2
Application number: DE68920005T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Masuda; Masaaki Ueki; Nobuyuki Yasuda
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-11-15
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-10-31
Also published as: DE68920005D1; JPH02134010A; EP0369630A3; EP0369630A2; US5073778A; EP0369630B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungseinrichtung, die von einer sogenannten Rauschsignalformungsschaltung zur Reduzierung des Quantisierungsrauschens Gebrauch macht.
Das Umformen von Rauschsignalen ist eine Technologie, gemäß der ein Quantisierungsrauschspektrum, das zum Zeitpunkt der Quantisierung oder Rundung von Daten, wie beispielsweise von Audio- oder Videosignaldaten erzeugt wird, derart geändert wird, daß beispielsweise der Rauschpegel im Audiobereich deutlich reduziert wird, um das Signal-/Rauschverhältnis (S/N) zu verbessern. Eine bekannte Technik zur Rauschsignalformung umfaßt das Rückkoppeln von Quantisierungsfehlerkomponenten zur Eingangsseite, wie es beispielsweise in "Adaptive Noise Spectral Shaping and Entropy Coding in Predictive Coding of Speech", erschienen in IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Processing, Februar 1979, Band ASSP-27, Nr. 1, Seiten 63 bis 73, offenbart ist. Falls jedoch beispielsweise ein Audiosignal dieser Rauschsignalformung unterzogen wird, kann ein charakteristisches Muster, das sogenannte "Leerlaufmuster" (engl. "idling pattern"), das für das Ohr sehr rauh und schrill klingt, in kleinen Signalpegeln erzeugt werden.
Die herkömmliche Art und Weise, diese Schwierigkeit zu überwinden, besteht darin, eine Rauschsignalformung durchzuführen, nachdem ein Zittersignal auf das Eingangssignal aufaddiert wurde, wie es in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 51-48214 offenbart und hier in Fig. 6 gezeigt ist.
In dieser Figur wird ein an einen Eingangsanschluß 61 geführtes Eingangssignal zu einem Addierer 62 geführt, in dem es zu einem von einem Zittergenerator 63 generiertes Zittersignal aufaddiert wird. Anschließend wird die Summe der beiden Signale einer Rauschsignalformungsschaltung 64 zugeführt. Das Ausgangssignal dieser Rauschsignalformungsschaltung 64 wird zu einem D/A-Wandler 65 übertragen und dort in analoge Signale umgewandelt, die an einem Ausgangsanschluß 68 ausgegeben werden.
Fig. 7 zeigt das Frequenzspektrum dieser Ausgangssignale an einem Ausgangsanschluß 68. In dieser Figur steht X für ein Eingangssignal, D für ein Zittersignal, das auf der Eingangsseite eingeführt wurde, und VN für eine Quantisierungsfehlerkomponente. Aufgrund der Rauschsignalformung weist die Quantisierungsrauschkomponente VN einen geringeren Rauschpegel bei unteren Frequenzen im Audiobereich auf. Das Ausgangssignal Y am Ausgangsanschluß 68 wird durch folgende Formel (1) dargestellt
Y = X + S + VN (1)
Somit ergeben sich Schwierigkeiten insofern, als das Zittersignal D ausgegeben wird, obwohl es kein Eingangssignal gibt, d.h. das Eingangssignal X ist Null. Das Signal/Quantisierungsrauschleistungs-Verhältnis oder S/N-Verhältnis ergibt sich aus der folgenden Formel (2)
S/N = X²/VN2 (2)
Darüber hinaus ist es notwendig, daß der Frequenzbereich des eingeführten Zittersignals außerhalb des Audiobereichs liegt, während es auch notwendig ist, daß das Zittersignal, das zum Zeitpunkt der D/A-Wandlung übrigbleibt, von einem Tiefpaßfilter entfernt wird.
Das IEEE Journal of Solid-State Circuits. Band SC-22, Nr. 6, Dezember 1987, Seiten 921-929, beschreibt eine Technik, bei der ein Paar von Delta-Sigma-Quantisierern benutzt wird. Ein zu verarbeitendes Signal wird aufgespalten und in einem Fall invertiert und dann einem Zittersignal hinzuaddiert. Das resultierende Signal wird dann den zuvor genannten Delta-Sigma-Quantisierern zugeführt. Die Ausgangssignale werden dann voneinander subtrahiert, um ein Ausgangssignal zu liefern, das ein geringes bzw. kein Zittersignal enthalten sollte.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Schwierigkeiten des Standes der Technik zu beseitigen und eine Signalverarbeitungseinrichtung vorzusehen, mit der eine Zittersignalkomponente im Ausgangssignal, das durch Einführen eines Zittersignals in ein Eingangssignal und durch Rauschformen des resultierenden Mischsignals erhalten wird, mit einem vereinfachten System ausgelöscht werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Signalverarbeitungseinrichtung vorzusehen, bei der das Signal-/Quantisierungsrausch-Verhältnis oder S/N-Verhältnis weiter verbessert werden kann.
Erfindungsgemaß ist vorgesehen eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Reduzierung des Quantisierungsrauschens, das während der Quantisierung von Daten erzeugt wird, mit mehreren Signalverarbeitungsschaltungen, wobei jede Signalverarbeitungsschaltung umfaßt:
einen Zittersignalgenerator zum Erzeugen eines Zittersignals;
eine erste Rauschen-Formerschaltung der im Betrieb ein Signal zugeführt wird, das eine relative Addition zwischen einem Eingangssignal und dem Zittersignal darstellt;
eine zweite Rauschen-Formerschaltung, der im Betrieb ein Signal zugeführt wird, das eine relative Subtraktion zwischen dem Eingangssignal und dem Zittersignal darstellt;
eine Kombiniervorrichtung zum wirksamen Kombinieren der jeweiligen Komponenten der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Rauschen-Formerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb das Eingangssignal jeder Signalverarbeitungsschaltung parallel zugeführt wird,
unterschiedliche vom Zittersignalgenerator erzeugte Zittersignale in den jeweiligen Signalverarbeitungsschaltungen benutzt werden, und
die Ausgangssignale der Signalverarbeitungsschaltungen zusammen kombiniert werden.
Somit werden zumindest vier Rauschsignalformungsschaltungen verwendet. Eine dieser Rauschformungsschaltungen wird mit der Summe des Zittersignals und des Eingangssignals versorgt, wahrend die andere Rauschsignalformungsschaltung mit einem Differenzsignal zwischen dem Zittersignal und dem Eingangssignal versorgt wird. Die Ausgangssignale der Rauschsignalformungsschaltungen werden addiert oder voneinander subtrahiert, so daß die jeweiligen Eingangssignalkomponenten wirksam addiert werden, während die Zittersignalkomponenten ausgelöscht werden.
Deshalb werden in der letzten Stufe der Signaladdition oder Subtraktion die Zittersignalkomponenten in den Ausgangssignalen gelöscht, indem die Signalsubtraktions- und die Eingangskomponenten hinsichtlich ihrer Amplitude verdoppelt und ihrer Leistung quadriert werden durch die Signaladdition, wohingegen die Quantisierungsrauschkomponenten in den Ausgangssignalen hinsichtlich ihrer Leistung einfach verdoppelt werden, was zu einem verbesserten S/N-Verhältnis führt.
Die Erfindung wird nun anhand eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockschaltungsdiagramm, das das Hauptelement einer Signalverarbeitungseinrichtung zeigt, die zur Erläuterung der Erfindung behilflich ist, obwohl sie an sich kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das das Frequenzspektrum eines Ausgangssignals in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung darstellt;
Fig. 3 ist ein Blockschaltungsdiagramm, das eine zweite Form der Hauptelemente einer Signalverarbeitungseinrichtung zeigt;
Fig. 4 ist ein Blockschaltungsdiagramm, das eine dritte Form des Hauptelements einer Signalverarbeitungseinrichtung zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockschaltungsdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinrichtung zeigt;
Fig. 6 ist ein Blockschaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Signalverarbeitungseinrichtung zeigt; und
Fig. 7 ist ein Diagramm, das das Frequenzdiagramm eines Ausgangssignals der in Fig. 6 gezeigten Einrichtung darstellt.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bzw. Teile, die die gleiche Funktion ausführen.
Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltungsdiagramms das Hauptelement einer Signalverarbeitungseinrichtung.
In der in Fig. 1 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung 10 wird ein beispielsweise aus 16 Bits bestehendes digitales Audiosignal einem Eingangsanschluß 11 zugeführt und dann den Addierern 12a und 12b. Ein Zittersignal von einem Zittergenerator 13 wird dem Eingangssignal am Addierer 12a hinzuaddiert und das resultierende Summensignal wird dann einer Rauschformungsschaltung 14a zugeführt. Das Zittersignal vom Zittergenerator wird vom Eingangssignal am Addierer 12b subtrahiert, und das resultierende Differenzsignal wird einer Rauschsignalformungsschaltung 14b zugeführt. Die Rauschsignalformungsschaltungen 14a, 14b können im wesentlichen die gleiche Rauschsignalformung ihrer Eingangssignale bewirken und in der gleichen Weise aufgebaut sein. Insbesondere können sie von einem Typ sein, bei dem die Quantisierungsfehler, die dann produziert werden, wenn die Anaahl der Bits des digitalen Eingangssginals durch eine Quantisierung oder Requantisierung, beispielsweise durch Runden eines 16-Bit-Eingangssignals auf ein 14-Bit-Ausgangssignal, reduziert werden, auf die Eingangsseite rückgekoppelt werden, indem eine Fehlerrückkopplungsoperation ausgeführt wird. D.h., daß die Rauschsignalformungsschaltung 14a oder 14b so angeordnet und aufgebaut ist, daß ein Eingangssignal an einem Quantisierer 1 von einem Ausgangssignal des Quantisierers 1 durch einen Addierer 2 subtrahiert wird und das resultierende Subtraktionsausgangssignal oder Quantisierungsfehlersignal auf die Eingangsseite des Addierers 4 des Quantisierers 1 über eine Verzögerungsschaltung 3 rückgekoppelt wird. Die Ausgangssignale dieser Rauschsignalformungsschaltung 14a und 14b werden zu D/A-Wandlern 15a bzw. 15b übertragen, wo sie in entsprechende Analogsignale umgewandelt werden, die dann an einem Addierer 16 kombiniert werden und um die Hälfte durch eine 1/2-Dämpfungsschaltung gedämpft werden, bevor sie an einem Ausgangsanschluß 18 ausgegeben werden.
In der zuvor beschriebenen Signalverarbeitungsschaltung 10 wird das Zittersignal D vom Zittergenerator 13 einem Eingangssignal X am Eingangsanschluß 11 des Addierers 12a hinzugefügt, während es von dem Eingangssignal an dem anderen Addierer 12b subtrahiert wird. Die sich daraus ergebenden Summen und Subtraktionssignale werden getrennt voneinander einer Rauschsignalformung unterzogen. Somit werden ein Ausgangssignal Y eines Additionssystems und ein Ausgangssignal Y&sub2; eines Subtraktionssystems durch die folgenden Formeln (3) und (4) dargestellt:
Y&sub1; = X + D + VN (3)
Y&sub2; = X - D + VN' (4)
dabei sind VN und VN' Quantisierungsrauschsignale an den Rauschsignalformungsschaltungen 14a bzw. 14b. Diese Signale Y&sub1; und Y&sub2; werden am Addierer 16 kombiniert, um das Zittersignal D vollständig auszulöschen. Das Eingangssignal wird 2X durch eine solche Addition, d.h., daß die Amplitude verdoppelt wird, so daß die Leistung (2X)² entspricht. Andererseits besitzen die Quantisierungsrauschsignale VN und VN' beliebige Phasen, so daß die Rauschleistung nach der zuvor genannten Addition VN und VN'² entspricht, und falls die Rauschsignale gleiche Amplitude aufweisen, entspricht die Rauschleistung 2VN². Somit ergibt sich für das Leistungsverhältnis der Signalkomponenten zu dem Quantisierungsrauschen oder S/N-Verhältnis entsprechend der Formel (5)
S/N = 4X²/2VN² = 2 (X²/VN²) (5).
Das bedeutet, daß das S/N-Verhältnis doppelt so groß ist wie jenes des Standes der Technik, das durch die Formel (2) gekennzeichnet ist. D.h., daß das S/N-Verhältnis um 3 Dezibel (dB) verbessert wird. Fig. 2 zeigt das Frequenzspektrum des Ausgangssignals, das einer solchen Addition folgt. Die gestrichelte Linie in Fig. 2 verdeutlicht aus Übersichtlichkeitsgründen das Frequenzspektrum im Stand der Technik, das selbst in Fig. 7 gezeigt ist.
Da das auf der Eingangsseite eingeführte Zittersignal im tetzten Ausgangssignal ausgelöscht wurde, kann das Zittersignal, von dem man bislang dachte, daß es im Audiobereich nicht überlagert werden könnte, nun im Audiobereich überlagert werden. Beispielsweise kann ein M-Serien-Zufallszahlensignal, das keiner Bandbreitenbegrenzung unterzogen wird, als Zittersignal benutzt werden.
Fig. 3 zeigt einen Teil einer zweiten der Einrichtung, in der der D/A-Wandler der Signalverarbeitungsschaltung in der letzten Stufe eingesetzt wird.
In der in Fig. 3 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung 20 wird das einem Eingangsanschluß 21 zugeführte Eingangssignal an Addierer 22a und 22b übertragen, an denen Zittersignale von einem Zittergenerator 13 hinzuaddiert oder von dem Eingangssignal subtrahiert werden. Danach werden die sich daraus ergebenden Summen- und Differenzsignale den Rauschsignalformungsschaltungen 24a bzw. 24b zugeführt. Die Ausgangssignale dieser Rauschsignalformungsschaltungen 24a und 24b werden vom Addierer 26 im voraus kombiniert, wobei die Zittersignalkomponenten ausgelöscht und die Eingangssignalkomponenten kombiniert werden. Das Ausgangssignal dieses Addierers 26 wird von einer 1/2-Dämpfungsschaltung 27 um die Hälfte gedämpft, und das gedämpfte Signal wird einem D/A-Wandler 25 zur D/A-Wandlung zugeführt, bevor es am Ausgangsanschluß 28 ausgegeben wird.
Die zweite Form der Schaltung entspricht hinsichtlich der Betriebsweise und dem Ergebnis der zuvor genannten ersten Form und ist daneben in ökonomischer Sicht vorteilhafter, da nur ein D/A-Wandler pro Verarbeitungsschaltung benötigt wird.
Durch Veränderung einer der zuvor genannten Ausführungsbeispiele können die Eingangssignale mit entgegengesetzten Polaritäten oder Phasen mit einem Zittersignal der gleichen Polarität oder Phase überlagert werden, und eine Signalsubtraktion kann nach der Rauschsignalformung ausgeführt werden.
In einer dritten Form einer in Fig. 4 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung 30 wird ein an einem Eingangsanschluß 31 anliegendes Eingangssignal einem Addierer 32a zugeführt, während es bezüglich der Polarität oder Phase von einem Invertierer 39 invertiert und einem Addierer 32b zugeführt wird. In diesen Addierern 32a und 32b wird das Zittersignal vom Zittergenerator 33 dem nichtinvertierten Eingangssignal bzw. dem invertierten Eingangssignal hinzuaddiert. Da die Polarität oder Phase der Eingangssignale relativ zueinander umgekehrt werden, werden die Eingangssignale und die Zittersignale einerseits einer Addition unterzogen und andererseits einer relativen Subtraktion. Die Ausgangssignale dieser Addierer 32a und 32b werden den Rauschsignalschaltungen 34a bzw. 34b zugeführt und dann den D/A-Wandlern 35a bzw. 35b, so daß sie in entsprechende Signale, die einem Addierer 36 zugeführt werden, umgewandelt werden. Im Addierer 36 wird eines der Signale vom anderen subtrahiert, so daß die Eingangssignalkomponenten mit entgegengesetzter Polarität oder Phase zueinander kombiniert werden. Das Ausgangssignal des Addierers 36 wird von einer 1/2-Dämpfungsschaltung 37 um 1/2 gedämpft, bevor es zum Ausgangsanschluß 38 gelangt.
Die dritte Form der Schaltung arbeitet und erzeugt ein Resultat in gleicher Weise wie bei der zuvor beschriebenen ersten Form. In der dritten Form können die Ausgangssignale der Rauschsignalformungsschaltungen 34a und 34b am Addierer einer Subtraktion unterzogen werden, und das sich daraus ergebende Differenzsignal kann anschließend von einem D/A-Wandler, der dem in der zuvor beschriebenen zweiten Form entspricht, in ein entsprechendes Signal umgewandelt werden.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden eine Anzahl n von zuvor beschriebenen Signalverarbeitungsschaltungen, deren jede zwei Rauschsignalformungsschaltungen aufweist, und eine Anzahl n unterschiedlicher Zittersignale benutzt. In der Fig. 5 entspricht jede der Schaltungen 10&sub1;, 10&sub2;, ... 10n der Signalverarbeitungseinrichtung 10 der zuvor beschriebenen Schaltung, wobei unterschiedliche Zittersignale in den jeweiligen Schaltungen 10&sub1; bis 10n. benutzt werden. Ein Eingangssignal von einem Eingangsanschluß 41 wird jeder der Schaltungen 10 bis 10n zugeführt. Die Ausgangssignale dieser Schaltungen 10 bis 10n werden einem Addierer 42 und anschließend einer 1/n-Dämpfungsschaltung 43 zugeführt, in der das Ausgangssignal des Addierers 42 um 1/n gedämpft wird, bevor es an den Ausgangsanschluß 44 gelangt. Wie mit den Schaltungen 10&sub1; bis 10n, können stattdessen die Signalverarbeitungsschaltungen 20 oder 30 entweder alleine oder in Kombination benutzt werden. Es ist jedoch notwendig, unterschiedliche Zittersignale für jede der Signalverarbeitungsschaltungen 10&sub1; bis 10n zu benutzen.
In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 5 gezeigt ist, wird das S/N-Verhältnis des Ausgangssignals am Ausgangsanschluß 44 um 3* log&sub2;n Dezibel (dB) von einer einzelnen Schaltung verbessert.
Gemäß der Signalverarbeitungseinrichtung der vorliegenden Erfindung können die Zittersignalkomponenten im Ausgangssignal vollständig ausgelöscht werden, so daß keine Notwendigkeit mehr besteht, einen analogen Tiefraßfilter, beispielsweise zur D/A-Wandlung, vorzusehen, wodurch die Schaltung vereinfacht wird, während die Signale, die nicht unter der Bandbreitenbeschränkung liegen, wie beispielsweise M-Seriensignale, als Zittersignale benutzt werden können. Das Signal/Rauschverhältnis kann auch verbessert werden, da die Eingangssignalkomponenten in den Ausgangssignalen der Rauschsignalformungsschaltung in der letzten Stufe der Signalverarbeitung wirksam summiert werden.

Claims

1. Signalverarbeitungseinrichtung zur Reduzierung des Quantisierungsrauschens, das während der Quantisierung von Daten erzeugt wird, mit mehreren Signalverarbeitungsschaltungen (10&sub1;, 10&sub2;,... 10n), wobei jede Signalverarbeitungsschaltung umfaßt:

einen Zittersignalgenerator (13) zum Erzeugen eines Zittersignals;

eine erste Rauschen-Formerschaltung (14a), der im Betrieb ein Signal zugeführt wird, das eine relative Addition zwischen einem Eingangssignal und dem Zittersignal darstellt;

eine zweite Rauschen-Formerschaltung (14a), der im Betrieb ein Signal zugeführt wird, das eine relative Subtraktion zwischen dem Eingangssignal und dem Zittersignal darstellt;

eine Kombiniervorrichtung (16) zum wirksamen Kombinieren der jeweiligen Komponenten der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Rauschen-Formerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

im Betrieb das Eingangssignal jeder Signalverarbeitungsschaltung (10&sub1;, 10&sub2;,... 10n) parallel zugeführt wird,

unterschiedliche vom Zittersignalgenerator (13) erzeugte Zittersignale in den jeweiligen Signalverarbeitungsschaltungen benutzt werden, und

die Ausgangssignale der Signalverarbeitungsschaltungen (10&sub1;, 10&sub2;,... 10n) zusammen kombiniert werden.

2. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Rauschen-Formerschaltung (14a, 14b) umfaßt:

einen Quantisierer (1);

einen ersten Subtrahierer (2) zum Subtrahieren eines Eingangssignals des Quantisierers (1) von einem Ausgangssignal des Quantisierers (1), und

einen zweiten Subtrahierer (4) zum Subträhieren eines verzögerten Ausgangssignals des ersten Subträhierers (1) vom Eingangssignal des Quantisierers.

3. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei

das Signal, das die Summe aus dem Eingangssignal und dem Zittersignal darstellt, der ersten Rauschen-Formerschaltung (14a) zugeführt wird, und wobei

ein Signal, das die Summe aus dem invertierten Eingangssignal und dem Zittersignal darstellt, der zweiten Rauschen-Formerschaltung (14b) der jeweiligen Signalverarbeitungsschaltung (10&sub1;, 10&sub2;,...,10n) zugeführt wird.

4. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kombiniervorrichtung einen Subtrahierer (36) zum Subtrahieren der Ausgangssignale der ersten und der zweiten Rauschen-Formerschaltung voneinander aufweist.

5. Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche desweiteren mit einem D/A-Wandler (25), dem das Ausgangssignal der Kombiniervorrichtung (26) zugeführt wird.

6. Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Anzahl von N Signalverarbeitungsschaltungen (10&sub1;, 10&sub2;,...,10n) und einer Verstärkungs-Steuerungsvorrichtung (43) zum Dämpfen der Ausgangssignale der Kombiniervorrichtung (26) um 1/N.