JP2004179739A

JP2004179739A - デルタシグマ変調器、デルタシグマ変調器の切り替え方法、およびデジタルアンプ

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Publication number: JP2004179739A
Application number: JP2002340745A
Authority: JP
Inventors: Teruya Komamura; 光弥駒村
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-25
Also published as: US20040122544A1; DE60308983D1; JP3902120B2; DE60308983T2; EP1424780B1; EP1424780A2; EP1424780A3

Abstract

【課題】高Ｓ／Ｎ比と系の安定性を両立させることができるデルタシグマ変調器、デルタシグマ変調器の切り替え方法、およびデジタルアンプを提供する。
【解決手段】ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出部９と、ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出部１０と、シェーピング特性の異なる複数のフィルタ係数を有し量子化ノイズを通過させるフィルタ１１と、量子化ビット数検出部９及びボリューム設定値検出部１０の検出結果に応じてフィルタ１１のフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替器１７と、を備え、入力信号の量子化ビット数を検出して、量子化ビット数の少ないソースのときには低次のフィルタ係数に切り替え、量子化ビット数の多いソースのときにボリューム設定値が所定値以上の場合には低次のフィルタに切り替え、所定値未満の場合には高次のフィルタ係数に切り替える。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デルタシグマ変調器、デルタシグマ変調器の切り替え方法、およびディジタルアンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デルタシグマ変調を用いるディジタルアンプでは、ノイズシェーピングにより量子化ノイズを高周波帯域にシフトさせることにより、オーディオ帯域のＳ／Ｎ比を確保している。
図１は、従来の５次のデルタシグマ変調器の構成を示すブロック図であり、ノイズシェーピングフィルタの係数（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５）は、固定されている。このようにディジタルアンプで使用されるノイズシェーピングフィルタとしての従来のデルタシグマ変調器の係数は固定されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
なお、上記従来技術では、デルタシグマ変調器の係数は固定されているが、量子化ノイズの振幅周波数特性を人間の聴覚感度特性に一致させることを目的として、入力信号レベルに応じてフィルタ係数を選択するものがあり、その構成を図２に示す（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図２に示す従来技術では、ｍビットの入力信号のレベルがレベル検出器１０３で検出され、レベル判定器１０４での判定結果がフィルタ係数格納メモリ１０５に入力される。フィルタ係数格納メモリ１０５には、あらかじめｍビットの入力信号のレベルに応じて変化する聴覚感度特性に量子化ノイズの振幅周波数特性を一致させるフィルタ係数が格納されており、レベル判定器１０４で判定されたレベルに応じて選択されたフィルタ係数で可変フィルタ１０６の特性が決定され、加算器１０１の出力と量子化器１０７の出力信号との差分が、可変フィルタ１０６に入力され、ｍビットの入力信号に加算されるものである。
【非特許文献１】
Ｊ．Ｍ．ＧｏｌｄｂｅｒｇＡ．Ｂ．Ｓａｎｄｌｅｒ，“ＮｏｉｓｅＳｈａｐｉｎｇａｎｄＰｕｌｓｅ−ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎｆｏｒａｎＡｌｌ−ＤｉｇｉｔａｌＡｕｄｉｏＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＡｕｄｉｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｃｉｅｔｙ．Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６，１９９１
【特許文献１】
特開平７−１５２８１号公報（第３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のデルタシグマ変調器では、次のような問題がある。Ｓ／Ｎ比を高くするためには、次数の高い回路構成の（高次の）デルタシグマ変調器を用いてノイズシェーピング量を多くするようにしなければならないが、このように高次のデルタシグマ変調器では系が不安定になり、入力信号の振幅が大きくなると発振してしまうことがあり、結果的に高Ｓ／Ｎ比と系の安定化の両立が図れない。
【０００６】
したがって、フィルタ係数が固定の場合は、Ｓ／Ｎ比を高くするために高次のデルタシグマ変調回路を用いると、入力信号の最大振幅を制限しなければならない。その結果、所定の出力を得るためにパワースイッチング段の電圧を高くしなければならなくなり、性能コスト面で不利である。また、逆に大振幅の入力信号を許容するためには低次のデルタシグマ変調回路を用いなければならないため、Ｓ／Ｎ比を高くすることが難しい。
【０００７】
また、図２に示す従来例では、過去の所定期間における入力信号の振幅の絶対値をとった平均値を検出して、その値をレベル判定して切り替えを行うようにしているが、検出するのは過去のレベルであるので、フィルタ係数を切り替える前に既にレベルが変化している可能性が高く、高Ｓ／Ｎ比と系の安定性の両立を図ることが困難であるという問題がある。本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が一例として挙げられる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るデルタシグマ変調器は、請求項１に記載したように、ディジタルオーディオ信号の量子化ノイズを高周波帯域にシフトすることにより、当該ディジタルオーディオ信号の帯域のノイズを削減するデルタシグマ変調器であって、前記ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出手段と、前記量子化ノイズのボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出手段と、シェーピング特性の異なる複数のフィルタ係数を有し前記ディジタルオーディオ信号を通過させるフィルタ手段と、前記量子化ビット数検出手段の検出結果と前記ボリューム設定値検出手段の検出結果とに応じて、前記フィルタ手段のフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替手段と、を有することを特徴とする
【０００９】
本発明に係るデルタシグマ変調の切り替え方法は、請求項７に記載したように、ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出ステップと、前記ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出ステップと、前記量子化ビット数及びボリューム設定値に応じてフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るディジタルアンプは、請求項８に記載したように、請求項１〜６のいずれかに記載のデルタシグマ変調器を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器を用いたディジタルアンプの機能ブロック図である。
【００１２】
図３において、本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器を用いたディジタルアンプ２０は、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）やＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）等のディジタルソースからの入力信号を取り込むディジタルインタフェース１と、ディジタルインタフェース１を介して取り込まれたディジタルソースからの入力信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプリング回路２と、サンプリング周波数が上げられた入力信号に対して利得調整するディジタルボリューム３と、利得調整された入力信号に対して量子化ビット数を削減するデルタシグマ変調器４と、デルタシグマ変調器４により得られたパルス符号変調信号をパルス幅変調信号に変換するＰＣＭ（ＰｕｌｓｅＣｏｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）／ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変換器５と、パルス幅変調信号の周期で図示せぬ電源をスイッチングしてパルス幅変調信号の振幅を増幅し、スピーカ８に印加する電流を生成するパワースイッチ６と、生成された電流に含まれる高域成分を除去する低域通過フィルタ７とを備えている。
【００１３】
次に、本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器について説明する。
まず、本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器４を構成するデルタシグマ変調回路の一例を図４に示し、その基本的な構成および動作を説明する。
【００１４】
図４に示すように、デルタシグマ変調回路は、加算器Σ、フィルタ、量子化器から構成される。図４において、量子化ノイズＮｑ（ｚ）はフィルタＨ（ｚ）を介して入力側にフィードバックされる。その結果、量子化ノイズのスペクトルは、次式のように変形される。
【００１５】
【数１】

【００１６】
ここで、例えば入力Ｘ（ｚ）に７６８ｋＨｚ、２４ｂｉｔの信号を入力すると６ｂｉｔの出力信号Ｙ（ｚ）を出力する。通常ディジタルアンプでは、フィルタＨ（ｚ）を適切に設計して、図５に示すノイズシェーピング特性図に示すように、量子化ノイズを高周波数帯域にシフトすることにより、オーディオ帯域のノイズを減らしてＳ／Ｎ比を確保している。
【００１７】
本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器４は、５次分のデルタシグマ変調回路（例えば図４に示す回路）を用いて図６のように構成される。
図６に示すように、デルタシグマ変調器４は、入力ソースであるディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出部９（量子化ビット数検出手段）と、ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出部１０（ボリューム設定値検出手段）と、シェーピング特性の異なる複数のフィルタ係数を有し量子化ノイズを通過させるフィルタ１１（フィルタ手段）と、ディジタルオーディオ信号のビット数及びボリューム設定値に応じてフィルタ１１の利得調整器１２〜１６のフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替器１７（フィルタ係数切替手段）とを備えている。
【００１８】
このように、本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器４は、５次分のデルタシグマ変換回路を備えているので、各デルタシグマ変換回路に対する係数は５個である。そして、この係数５個を１組としたフィルタ係数を複数持っていることを特徴としている。
【００１９】
すなわち、デルタシグマ変調器４は図６に示すように、５次（高次）のフィルタ係数（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５）と、３次（低次）のフィルタ係数（ｂ１，ｂ２，ｂ３，０，０）の２組のフィルタ係数を持っている。このように、３次（低次）のフィルタ係数は、２つの係数０を持つことにより、３次（低次）のデルタシグマ変換器を実現している。
【００２０】
なお、ここで用いられる５次及び３次のフィルタ係数の具体例としては、以下のような数値の一例が挙げられる。
５次のフィルタ係数：（−５，１０，−１０，５，−１）
３次のフィルタ係数：（−３，３，−１，０，０）
【００２１】
フィルタ係数切替器１７は、ＣＤ等の量子化ビット数の少ないソースの場合には常に３次のフィルタ係数組（ｂ１，ｂ２，ｂ３，０，０）に切り替え、ＤＶＤ等の量子化ビット数の多いソースの場合には、原則的に５次のフィルタ係数（ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５）に切り替える。ただし、量子化ビット数の多いソースの場合であっても、ボリューム設定値がその最大値から所定の閾値よりも高く設定された場合は３次のフィルタ係数を使用する。
【００２２】
ボリューム設定値の上昇時に、閾値およびフィルタ係数切り替え時点を図７に示すように、所定の閾値より低く設定されていたボリューム設定値が当該閾値より高い値に変更されたときには、フィルタ係数を５次（高次）から３次（低次）に切り替える。
【００２３】
逆に、ボリューム設定値の下降時における閾値およびフィルタ切り替え時点を図８に示すように、所定の閾値より高く設定されていたボリューム設定値が当該閾値より低い値に変更されたときには、フィルタ係数を３次から５次に切り替える。
【００２４】
図７及び図８に示した閾値は、例えばボリューム設定値の最大値を０ｄｂとすると約−６ｄＢの値とすることが望ましい。その理由は、５次のフィルタ係数ではボリューム設定値の最大値に対し約６０％以下に入力振幅を抑えないと発振してしまうからである。
【００２５】
また、フィルタ係数切替器１７は、フィルタ係数を３次から５次に切り替えるときには、量子化ノイズを格納するメモリ１８〜２２を零にリセットする。
この理由は、前述した数値の具体例のように、３次のフィルタ係数よりも５次のフィルタ係数の方が各数値が大きいので、３次のフィルタ係数から５次のフィルタ係数に切り替えたときに、量子化ノイズが過度にフィードバックされるのを抑えるためである。
【００２６】
なお、フィルタ係数を５次から３次に切り替えるときには、メモリをリセットする必要はないが、リセットしないようにするためには、そのための制御プログラムを必要とするので、全体の制御プログラムを簡単にするためにここでもリセットするようにしてもよい。
すなわち、フィルタ係数切替時には必ずメモリをリセットするように、制御プログラムを作成した方が全体の制御プログラムを簡単にできる。
【００２７】
さらに、前述の図７に示した現在のボリューム設定値から新しいボリューム設定値に向けて利得が上昇する場合は、上昇開始時点近傍においてフィルタ係数を５次（高次）から３次（低次）に切り替え、前述の図８に示した現在のボリューム設定値から新しいボリューム設定値に向けて利得が下降する場合は、下降終了時点近傍にてフィルタ係数を３次（低次）から５次（高次）に切り替える。
【００２８】
このように上昇開始時点近傍および下降終了時点で近傍切り替えることにより、高次のフィルタ係数は必ず閾値（所定値）より低いボリューム設定値で使用されることになるので、系が不安定になることを回避できる。
【００２９】
次に、本実施の形態に係るディジタルアンプの動作を説明する。
ディジタルインタフェース１を介して取り込まれたＣＤやＤＶＤ等のディジタルソースからの入力信号が、オーバーサンプリング回路２によりサンプリング周波数が上げられた後、ディジタルボリューム３によって利得が調整される。
【００３０】
そして、利得調整された入力信号がデルタシグマ変調器４により量子化ビット数が削減される。デルタシグマ変調器４により得られたパルス符号変調信号はＰＣＭ／ＰＷＭ変換器５でパルス幅変調信号に変換された後、パワースイッチ６にてパルス幅変調信号の周期で図示せぬ電源がスイッチングされて、パルス幅変調信号の振幅が増幅され、スピーカ８に印加する電流が生成される。生成された電流は、低域通過フィルタ７で高域成分が除去された後、スピーカ８に印加される。
【００３１】
そして、デルタシグマ変調器４では、入力信号の量子化ビット数の少ないソースにときには３次のフィルタ係数に切り替え、量子化ビット数の多いソースのときには５次のフィルタ係数に切り替える。
【００３２】
また、量子化ビット数の多いソースの場合に、ディジタルボリューム３のボリューム設定値がその最大値の約５０％以上の値に変更されたときには、フィルタ係数を５次から３次に切り替える。
【００３３】
また、フィルタ係数を３次から５次に切り替えたときに、量子化ノイズを格納するメモリを零にリセットする。
【００３４】
このように、本実施の形態に係るデルタシグマ変調器４は、入力信号の量子化ビット数を検出して（量子化ビット数検出ステップ）、量子化ビット数の少ないソースのときには３次のフィルタ係数に切り替え、量子化ビット数の多いソースのときには５次のフィルタ係数に切り替える（フィルタ係数切替ステップ）ので、量子化ビット数が少ないソースに対しては、３次のデルタシグマ変調器でもソースの持っているＳ／Ｎ比を確保することができ、かつ入力信号の振幅が大きくなっても系が不安定にならない。一方、量子化ビット数の多いソースに対しては、５次のデルタシグマ変調器として動作することによりＳ／Ｎ比を高く設定することができる。
【００３５】
また、量子化ビット数の多いソースの場合であっても、ボリューム設定値を検出して（ボリューム設定値検出ステップ）その値が最大値の約５０％以上の高い値に変更されたときには５次から３次に切り替える（フィルタ係数切替ステップ）ので、高次のフィルタ係数は必ず閾値より低いボリューム設定値で使用されることになり、系が不安定になることを回避できる。
【００３６】
なお、ボリュームを最大値付近にすることは稀であることから、通常の使用状態では高Ｓ／Ｎ比を確保できる。
【００３７】
また、フィルタ係数の次数が大きくなる方に切り替えたときに、量子化ノイズを格納するメモリを零にリセットするので、３次のフィルタ係数から５次のフィルタ係数に切り替えても、量子化ノイズが過度にフィードバックされるのを抑えることができる。
【００３８】
なお、デルタシグマ変調回路の他の例としては、図９及び図１０に示すようなものもある。これらの図に示すデルタシグマ変調回路では量子化ノイズだけでなく信号も伝達関数を持っている。このため、信号の周波数特性は平坦ではないが、このような構成のデルタシグマ変調回路などに対しても本実施の形態に係るデルタシグマ変調器のようにフィルタ係数切り替えを適用することができる。
【００３９】
以上詳述したように、本実施の形態に係るデルタシグマ変調器は、ディジタルオーディオ信号の量子化ノイズを高周波帯域にシフトすることにより、当該ディジタルオーディオ信号の帯域のノイズを削減するデルタシグマ変調器であって、前記ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出部９（量子化ビット数検出手段）と、ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出部１０（ボリューム設定値検出手段）と、シェーピング特性の異なる複数のフィルタ係数を有し量子化ノイズを通過させるフィルタ１１（フィルタ手段）と、量子化ビット数検出部９の検出結果とボリューム設定値検出部１０の検出結果とに応じて、フィルタ１１のフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替器１７（フィルタ係数切替手段）と、を有することで、入力信号の量子化ビット数の検出値とボリューム設定値に応じてフィルタ１１のフィルタ係数を切り替えるので、例えば量子化ビット数の少ない入力信号のときには低次のフィルタ係数に切り替え、量子化ビット数の多い入力信号のときには高次のフィルタ係数に切り替えることができ、入力信号の振幅が大きくなっても系が不安定になることがなく、また量子化ビット数の多い入力信号に対しては高次のデルタシグマ変調器として動作するのでＳ／Ｎ比を高く設定することができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係るデルタシグマ変調器の切り替え方法は、ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出ステップと、ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出ステップと、量子化ビット数及びボリューム設定値に応じてフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替ステップと、を含むことで、量子化ビット数の少ない入力信号のときには低次のフィルタ係数に、量子化ビット数の多い入力信号のときには高次のフィルタ係数に切り替えることができ、入力信号の振幅が大きくなっても系が不安定になることを回避することができ、また量子化ビット数の多い入力信号に対してＳ／Ｎ比を高く設定することができる。
【００４１】
また、本実施の形態に係るディジタルアンプは、前述の本実施の形態のデルタシグマ変調器を備えたことにより、高Ｓ／Ｎ比と安定性の両立が図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の５次のデルタシグマ変調器の構成を示すブロック図である。
【図２】従来の特許文献１に記載のデルタシグマ変調器を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るディジタルアンプの機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器を構成するデルタシグマ変調回路の一例を示すブロック図である。
【図５】図４のデルタシグマ変調回路のノイズシェーピング特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器の構成を示すブロック図である。
【図７】ボリューム設定値の上昇時における閾値およびフィルタ切り替え時点を示す図である。
【図８】ボリューム設定値の下降時における閾値およびフィルタ切り替え時点を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器を構成するデルタシグマ変調回路の他の一例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るデルタシグマ変調器を構成するデルタシグマ変調回路のさらに他の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
４デルタシグマ変調器
９量子化ビット数検出部（量子化ビット数検出手段）
１０ボリューム設定値検出部（ボリューム設定値検出手段）
１１フィルタ（フィルタ手段）
１７フィルタ係数切替器（フィルタ係数切替手段）
２０ディジタルアンプ

Claims

ディジタルオーディオ信号の量子化ノイズを高周波帯域にシフトすることにより、当該ディジタルオーディオ信号の帯域のノイズを削減するデルタシグマ変調器であって、
前記ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出手段と、
前記ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出手段と、
シェーピング特性の異なる複数のフィルタ係数を有し前記量子化ノイズを通過させるフィルタ手段と、
前記量子化ビット数検出手段の検出結果と前記ボリューム設定値検出手段の検出結果とに応じて、前記フィルタ手段のフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替手段と、
を有することを特徴とするデルタシグマ変調器。
前記フィルタ係数切替手段は、前記量子化ビット数が所定数以下の場合に、低次のフィルタ係数に切り替えることを特徴とする請求項１に記載のデルタシグマ変調器。
前記フィルタ係数切替手段は、前記量子化ビット数が所定数以上で且つ前記ボリューム設定値が所定値以上の場合には低次のフィルタに切り替え、前記量子化ビット数が所定数以上でかつ前記ボリューム設定値が所定値未満の場合には高次のフィルタに切り替えることを特徴とする請求項１に記載のデルタシグマ変調器。
前記フィルタ手段は、前記量子化ノイズを格納するメモリを備え、前記フィルタ係数を切り替えるときに前記メモリの内容を零にリセットすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のデルタシグマ変調器。
前記フィルタ手段は、前記量子化ノイズを格納するメモリを備え、次数が大きくなる方に前記フィルタ係数を切り替える場合に前記メモリの内容を零にリセットすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のデルタシグマ変調器。
前記フィルタ係数切替手段は、前記ボリューム設定値が変更されて利得が上昇する場合には上昇開始時点近傍において前記フィルタ係数を切り替え、かつ前記ボリューム設定値が変更されて利得が下降する場合には下降終了時点近傍において前記フィルタ係数を切り替えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のデルタシグマ変調器。
ディジタルオーディオ信号の量子化ビット数を検出する量子化ビット数検出ステップと、
前記ディジタルオーディオ信号のボリューム設定値を検出するボリューム設定値検出ステップと、
前記量子化ビット数及びボリューム設定値に応じてフィルタ係数を切り替えるフィルタ係数切替ステップと、
を含むことを特徴とするデルタシグマ変調器の切り替え方法。
請求項１〜６のいずれかに記載のデルタシグマ変調器を有することを特徴とするディジタルアンプ。