JP3344104B2

JP3344104B2 - 適応量子化ａ／ｄ変換装置および適応量子化ｄ／ａ変換装置

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Publication number: JP3344104B2
Application number: JP22303094A
Authority: JP
Inventors: 修大島
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 2002-11-11
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JPH0887299A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音声等をＡ／Ｄ変換ま
たは、Ｄ／Ａ変換する際に、各変換器の符号化ビット数
が少なくてもダイナミックレンジが広くなる適応量子化
Ａ／Ｄ変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】音声をディジタル化してメモリに記憶
し、これをメモリから読み出す装置、例えば、留守番電
話機能を持つ電話機やファクシミリ装置、または、音声
ファイルを有するマルチメディアコンピュータ等におい
て、メモリの記憶容量を増大させるため、音声情報を圧
縮して符号化し、これを伸長して元に戻すものがある。
その際、音声情報のディジタル信号処理過程では、一般
に１６ビットで処理することが行なわれている。ところ
が、アナログ入力信号である音声信号をディジタル化す
る際に１６ビットＡ／Ｄ変換器を用いるとコストが高く
つく。しかし、仮に８ビットＡ／Ｄ変換器を用いると量
子化ノイズが２⁸も大きくなり、Ａ／Ｄ変換後のディジ
タル信号処理における１６ビット品質が著しく損なわれ
音質の劣化を招くことになる。この事情は、Ｄ／Ａ変換
器でも同様である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、符号化ビット数の小さなＡ
／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器を用いて、前記符号化ビット
数が少なくてもダイナミックレンジが広くなる適応量子
化Ａ／Ｄ変換装置、および、Ｄ／Ａ変換装置を得ること
を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１に記
載の発明においては、適応量子化Ａ／Ｄ変換装置におい
て、アナログ信号をｍビットのディジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器により変換されたｍ
ビットのディジタル信号の下位に所定ビット数のビット
を付加してｎビットのディジタル信号に変換する符号長
拡大変換手段と該符号長拡大変換手段により変換された
ｎビットのディジタル信号に対して乗算を行なう乗算手
段とよりなる演算手段と、該演算手段の出力の所定期間
内の最大絶対値または平均絶対値と最大Ａ／Ｄ変換絶対
値とを比較する比較手段と、該比較手段の出力に基づい
て係数Ｇを発生する係数発生手段を有し、前記Ａ／Ｄ変
換器は、前記係数発生手段の出力によりその変換利得が
Ｇ倍され、前記乗算手段は、前記係数発生手段の出力に
より前記ｎビットのディジタル信号に対して乗算係数を
１／Ｇとする乗算を行なうものであることを特徴とする
ものである。

【０００５】請求項２に記載の発明においては、請求項
１に記載の適応量子化Ａ／Ｄ変換装置において、前記比
較手段は、前記最大Ａ／Ｄ変換絶対値を前記演算手段出
力の所定期間内の最大絶対値または平均絶対値で除算す
る手段であり、前記Ｇの値は、前記比較手段の出力に１
未満の所定の係数を乗算した値であることを特徴とする
ものである。

【０００６】請求項３に記載の発明においては、請求項
１または２に記載の適応量子化Ａ／Ｄ変換装置におい
て、前記係数発生手段は、前記所定期間での比較手段の
出力に応じて、次の所定期間での係数を発生するもので
あることを特徴とするものである。

【０００７】請求項４に記載の発明においては、適応量
子化Ｄ／Ａ変換装置において、入力されるｎビットのデ
ィジタル信号に対して乗算を行なう乗算手段と該乗算手
段の出力のｎビットのディジタル信号の下位の所定ビッ
ト数を除去してｍビットのディジタル信号に変換する符
号長縮小変換手段とよりなる演算手段と、該演算手段の
出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、該演算
手段入力の所定期間内の最大絶対値または平均絶対値と
最大Ｄ／Ａ変換絶対値とを比較する比較手段と、該比較
手段の出力に基づいて係数Ｇ’を発生する係数発生手段
を有し、前記Ｄ／Ａ変換器は、前記係数発生手段の出力
によりその変換利得が１／Ｇ’倍され、前記乗算手段
は、前記係数発生手段の出力により前記ｎビットのディ
ジタル信号に対して乗算係数をＧとする乗算を行なうも
のであることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】Ａ／Ｄ変換器に演算手段を接続し、Ａ／Ｄ変換
器出力の符号長よりも長い符号長に変換した上で乗算を
行ない、この演算手段出力の所定期間内の最大絶対値ま
たは平均絶対値と最大Ａ／Ｄ変換絶対値とを比較する。
具体的には、後者を前者で除算する。この商に１未満の
係数を乗算した値をＧとし、Ａ／Ｄ変換器の変換利得を
Ｇ倍にするとともに、演算手段の乗算係数を１／Ｇにす
る。このようにして、Ａ／Ｄ変換器の入力の所定期間内
の最大絶対値または平均絶対値がほぼ最大Ａ／Ｄ変換絶
対値になるようにして、実質的にＡ／Ｄ変換器の符号化
ビット数を増大させ、ダイナミックレンジを広くする。

【０００９】Ｄ／Ａ変換器についても同様に、演算手段
にＤ／Ａ変換器を接続し、乗算を行なった上で、長い符
号長をＤ／Ａ変換器入力の短い符号長に変更し、この演
算手段の入力の所定期間内の最大絶対値または平均絶対
値と最大Ｄ／Ａ変換絶対値とを比較する。具体的には、
後者を前者で除算する。この商に１未満の係数を乗算し
た値をＧ’とし、Ｄ／Ａ変換器の変換利得をＧ’倍にす
るとともに、演算手段の乗算係数を１／Ｇ’倍にする。
このようにして、この演算手段の入力の所定期間内の最
大絶対値または平均絶対値がほぼ最大Ｄ／Ａ変換絶対値
になるようにして、実質的にＤ／Ａ変換器の符号化ビッ
ト数を増大させ、ダイナミックレンジを広くする。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の適応量子化Ａ／Ｄ変換装置
の概略構成図である。図中、１はＡ／Ｄ変換器、２は演
算手段、３は符号長拡大変換手段、４は乗算器、５は最
大絶対値または平均絶対値検出手段、６は比較手段、７
は係数発生手段、Ａはアナログ入力信号、ＢはＡ／Ｄ変
換器出力、Ｃは符号長拡大変換手段出力、Ｄはディジタ
ル出力信号、Ｓｍａｘはディジタル出力信号Ｄにおいて
所定期間内の複数サンプル値の最大絶対値または平均絶
対値、Ｉｍａｘは最大Ａ／Ｄ変換絶対値であり、Ｇおよ
びその逆数である１／Ｇは係数発生手段７が出力する係
数である。

【００１１】適応量子化Ａ／Ｄ変換装置の入力は、アナ
ログ入力信号Ａであり、その出力はディジタル出力信号
Ｄである。アナログ入力信号Ａは、Ａ／Ｄ変換器１に入
力され、サンプリング信号の発生時点で振幅値が量子化
され符号化されてディジタル信号であるＡ／Ｄ変換器出
力Ｂとなる。Ａ／Ｄ変換器１の符号化ビット数、すなわ
ち、Ａ／Ｄ変換器出力Ｂの符号長はｍビットである。Ａ
／Ｄ変換器１は後述の係数発生手段７の出力である係数
Ｇにより変換利得ＧａｄをＧ倍される。

【００１２】ここで、Ａ／Ｄ変換器１の変換利得Ｇａｄ
とは、量子化ステップ数１を入力信号の振幅の量子化幅
で割った値、すなわち、量子化幅の逆数を意味する。し
たがって、変換利得ＧａｄがＧ倍されると、Ａ／Ｄ変換
器出力ＢもＧ倍となるから、入力信号Ａは、Ａ／Ｄ変換
器１により、等価的にＧ倍されてＡ／Ｄ変換されること
となる。この変換利得Ｇａｄを変えることは、量子化幅
を変えることと等価である。従来技術のように、変換利
得を変えない場合において、音声信号入力として許容さ
れている最大の振幅レベルに対して、Ａ／Ｄ変換器１０
がオーバーフローしないように変換利得の値を定め、こ
れをＧｏとする。変換利得を変える場合、変換利得Ｇａ
ｄは、係数ＧによりＧ倍されるから、変換利得Ｇａｄ
は、Ｇａｄ＝Ｇｏ・Ｇとなる。

【００１３】このような変換利得可変のＡ／Ｄ変換器１
を実現する第１の実施例としては、アナログ入力信号Ａ
を可変増幅率の増幅器に通してから量子化器に入力する
ものである。その第２の実施例としては、Ａ／Ｄ変換器
１の基準値を可変にするものである。基準値を１／Ｇ倍
にすることによって、入力信号は、Ａ／Ｄ変換器１によ
り、等価的にＧ倍されてＡ／Ｄ変換されることとなる。
Ａ／Ｄ変換器１として逐次比較型Ａ／Ｄ変換回路を用い
た場合には、内蔵のＤ／Ａ変換回路の基準電圧を１／Ｇ
倍する。基準電圧を変更する乗算型Ｄ／Ａ変換回路を用
いてもよい。Ａ／Ｄ変換器１として並列比較型Ａ／Ｄ変
換回路を用いた場合にも、基準値である基準電圧を１／
Ｇ倍する。各々の具体的な動作は、それぞれ図２，図３
を用いて後述する。

【００１４】Ａ／Ｄ変換器出力Ｂは、演算手段２に入力
され、その符号長が符号長拡大変換手段３によりｍビッ
ト長からこれより長いｎビット長に変更され、符号長拡
大変換手段出力Ｃとなる。符号長拡大変換手段３とは、
具体的には、ｍビット長の符号語の下位にｎ−ｍビット
の０符号を付加するものである。その上で、ディジタル
演算等により、符号長拡大変換手段出力Ｃに後述の係数
発生手段７の出力である係数１／Ｇが乗算され、ディジ
タル出力信号Ｄとなり、図示しない音声符号化処理回路
に出力される。

【００１５】ディジタル出力信号Ｄは、また、最大絶対
値または平均絶対値検出手段５に入力され、ここにおい
て、ディジタル演算等により所定期間内の複数サンプル
値の最大絶対値または平均値絶対値Ｓｍａｘが求められ
る。このＳｍａｘの値は、比較手段６において、ディジ
タル演算等により最大Ａ／Ｄ変換絶対値Ｉｍａｘと比較
される。

【００１６】この最大Ａ／Ｄ変換絶対値Ｉｍａｘとは、
アナログ入力信号Ａが正方向または負方向に過大となっ
て、Ａ／Ｄ変換器出力Ｂがオーバーフロー、すなわち、
飽和するときの、符号長ｎビットの符号語における絶対
値である。ディジタル値を２の補数で表すと、正方向に
過大となるとき、ｍビット長のＡ／Ｄ変換器出力Ｂは、
ＭＳＢが０、それ以下のｍ−１ビットが全て１となる
が、符号長拡大変換手段３以降の符号長ｎビットの符号
語では、ＭＳＢが０、それ以下のｍ−１ビットが全て
１、その後のｎ−ｍビットが全て０となる。一方、負方
向に過大となるとき、ｍビット長のＡ／Ｄ変換器出力Ｂ
は、ＭＳＢが１、それ以下のｍ−１ビットが全て０とな
るが、符号長拡大変換手段３以降の符号長ｎビットの符
号語では、ＭＳＢが１、それ以下のｎ−１ビットが全て
０となる。したがって、アナログ入力信号が正方向に過
大となる場合の方が、小さな絶対値でオーバーフローす
るから、前記のＩｍａｘの値は、ＭＳＢが０、それ以下
のｍ−１ビットが全て１、その後のｎ−ｍビットが全て
０となるものである。

【００１７】比較手段６を実現するための一実施例は、
ディジタル割算器であり、演算値Ｉｍａｘ／Ｓｍａｘが
出力される。係数発生手段７は、この演算値Ｉｍａｘ／
Ｓｍａｘに基づいて係数Ｇ＝ｋ・Ｉｍａｘ／Ｓｍａｘと
その逆数である係数１／Ｇとを出力する。ここで、ｋ
は、緩和係数であり、ｋ≦１の所定値をとる。

【００１８】比較手段６および係数発生手段７は、一体
のものとして、これを、Ｓｍａｘに応じて係数Ｇ、１／
Ｇを発生する変換テーブルで実現してもよい。係数Ｇの
値を２のべき乗に設定すると、変換テーブルや、Ａ／Ｄ
変換器１、乗算器４の構成が簡単になる。

【００１９】なお、アナログ入力信号Ａの所定期間内の
複数サンプル値の最大絶対値または平均絶対値は、それ
に対応するディジタル出力信号Ｄを最大絶対値または平
均値絶対値検出手段５が検出して知り得るものである。
そして、その結果に基づいて初めて最適な係数Ｇ、１／
Ｇを発生することができる。したがって、先行する所定
期間で得た係数Ｇの値を用いてＡ／Ｄ変換器１を動作さ
せればよい。このような係数Ｇを得る期間は、必ずしも
１つ前の所定期間である必要はなく、例えば、複数の先
行する所定期間としてもよく、その際、過去にさかのぼ
るにしたがって、重みづけを小さくするようにしてもよ
い。なお、最初の所定期間での係数Ｇの値は、所定値に
しておけばよい。

【００２０】以上のとおりであるから、係数Ｇは、Ａ／
Ｄ変換器の変換利得ＧａｄをＧ倍し、Ｇ＝ｋ・Ｉｍａｘ
／Ｓｍａｘであるから、Ａ／Ｄ変換器出力Ｂの絶対値の
最大値または平均値は、ｋ・Ｉｍａｘとなる。ここでｋ
＝１とすれば、Ａ／Ｄ変換器１の変換能力を最大限利用
できることとなる。そして、乗算器４においては、逆
に、符号長拡大変換手段出力Ｃが１／Ｇ倍され、ディジ
タル出力信号Ｄが元のアナログ入力信号Ａに対応するも
のとなる。したがって、アナログ入力信号Ａが小さな値
であっても、変換利得が大きくされることにより量子化
幅が小さくされるから、量子化ノイズが小さくなり、従
来のＡ／Ｄ変換器の量子化幅の半分よりも小さなアナロ
グ入力信号も切り捨てられることがなくなる。

【００２１】ここで、ｋの値について説明する。最大絶
対値または平均絶対値検出手段５が、絶対値の平均値を
検出するものである場合には、ｋ＝１では、アナログ入
力信号Ａの平均値を超える部分でＡ／Ｄ変換器出力Ｂが
オーバーフローしてしまうが、このオーバーフローを防
止する必要があるときには、最大値レベルと平均値レベ
ルとの統計的相関、オーバーフローの許容度に応じ、緩
和係数ｋをｋ＜１の範囲で定める。また、先行する所定
期間で得た係数Ｇの値を用いるときには、絶対値の最大
値を検出するものである場合にも、後続の所定期間でア
ナログ入力信号Ａが過大になり、Ａ／Ｄ変換器出力Ｂが
オーバーフローすることがある。このオーバーフローを
防止する必要があるときには、緩和係数ｋをｋ＜１の範
囲で定める。ｋの値は、１／２または１／４程度が適当
である。

【００２２】以上の説明では、Ｉｍａｘとは、Ａ／Ｄ変
換器出力Ｂがオーバーフローするときの、符号長ｎビッ
トの符号語における絶対値であるとした。しかし、Ａ／
Ｄ変換器出力がオーバーフローする前に、後続するディ
ジタル信号処理によっては、その過程において、演算結
果がオーバーフローするおそれも考えられる。このよう
なおそれがある場合には、オーバーフローを回避するよ
うに、ＩｍａｘをＡ／Ｄ変換器出力Ｂがオーバーフロー
するときの絶対値よりも小さく設定すればよい。また
は、緩和係数ｋの設定時にｋの値を小さくしてもよい。

【００２３】図２を用いて、変換利得可変のＡ／Ｄ変換
器１としてアナログ入力信号Ａを可変増幅率の増幅器に
通してから量子化器に入力する第１の実施例の動作をＧ
＝２の場合を例にとって説明する。図２は、この第１の
実施例の動作を示す図である。図中、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，
Ｉｍａｘは、図１に示したものであり説明を省略する。
ＧＡはＡ／Ｄ変換器１内の可変増幅率の増幅器の出力信
号であり、Ｓｍａｘは、ディジタル出力信号Ｄにおける
所定期間内の複数サンプル値の最大絶対値である。な
お、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｉｍａｘ，Ｓｍａｘは、いずれもディ
ジタル値であるが、図２では、ディジタル値に対応する
量子化された振幅値で表している。説明を簡単にするた
め、所定期間は、１０サンプリング時間とし、Ａ／Ｄ変
換器１の符号化ビット数、すなわち、Ａ／Ｄ変換器出力
Ｂの符号長ｍは４ビット、符号長拡大変換手段出力Ｃ、
および、ディジタル出力信号Ｄの符号長ｎは５ビットと
する。この例では、ディジタル値は、２の補数で表わさ
れている。Ａ／Ｄ変換器出力Ｂは、０を含めて９段階の
振幅絶対値を表すが、最も大きい９段階目は、正の入力
の場合には取り得ない値である。したがって、正負入力
合わせて、Ａ／Ｄ変換器出力Ｂにおいて、取り得る振幅
絶対値は、０を含めて下から８段階目のレベルまでであ
る。すなわち、「００００」（１０進表示で０）から
「０１１１」（１０進表示で７）までである。この「０
１１１」は、符号長拡大変換手段出力Ｃ、および、ディ
ジタル出力信号Ｄにおいては、「０１１１０」（１０進
表示１４）となり、これがＩｍａｘの値であり、０を含
めて下から１５段階目のレベルとなる。また、ディジタ
ル出力信号Ｄにおいて、Ｓｍａｘの値は、０を含めて下
から７段階目のレベル、「００１１０」（１０進表示
６）である。

【００２４】１つ前の１０サンプリング時間における演
算により、係数発生手段７が係数Ｇとして、Ｇ＝２を出
力しているとする。その結果、アナログ入力信号Ａは、
Ａ／Ｄ変換器１内の可変増幅率の増幅器により、Ｇ＝１
のときに比べ２倍増幅されることにより２倍の変換利得
を得、出力信号ＧＡとなった上で量子化され、符号化さ
れ、Ａ／Ｄ変換出力Ｂとなる。これは、４ビットの符号
長であったが、次の演算手段２における、符号長拡大変
換手段３により、５ビットの符号長に変換され、符号長
拡大変換手段出力Ｃとなり、乗算器４により係数１／Ｇ
＝１／２が乗算されてディジタル信号出力Ｄが得られ
る。最大絶対値または平均絶対値検出手段５は、１０サ
ンプリング時間内のディジタル出力信号Ｄの中から、最
大絶対値を検出し、Ｓｍａｘ＝６を得る。Ｉｍａｘ＝１
４であるから、比較手段６は、１４／６の５ビット演算
を行ない、切り捨てをすると２となり、緩和係数ｋ＝１
／２とすると、Ｇ＝１となり、この値が次の１０サンプ
リング時間内のための係数Ｇの値となる。

【００２５】図３を用いて、変換利得可変のＡ／Ｄ変換
器１としてＡ／Ｄ変換器１の基準値を可変にするものを
用いる第２の実施例の動作をＧ＝２の場合を例にとって
説明する。図３は、この第２の実施例の動作を示す図で
ある。図中、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｉｍａｘ，Ｓｍａｘは、
図２に示したものと同様であり説明を省略する。この例
では、ディジタル値は、２の補数で表わされている。Ｇ
＝２であるから、基準値がＧ＝１のときに比べて１／２
に変更されているから、量子化幅が１／２になってい
る。したがって、図３は、図２に比べてＡ／Ｄ変換器出
力Ｂの取り得る量子化幅を１／２にして図示している。
Ａ／Ｄ変換器出力Ｂは、０を含めて９段階の振幅絶対値
を表すが、最も大きい９段階目は、正の入力の場合には
取り得ない値である。したがって、正負入力合わせて、
Ａ／Ｄ変換器出力Ｂにおいて、取り得る振幅絶対値は、
０を含めて下から８段階目のレベルまでである。すなわ
ち、「００００」（１０進表示で０）から「０１１１」
（１０進表示で７）までである。この「０１１１」は、
符号長拡大変換手段出力Ｃ、および、ディジタル出力信
号Ｄにおいては、「０１１１０」（１０進表示１４）と
なり、これがＩｍａｘの値であり、０を含めて下から１
５段階目のレベルとなる。また、ディジタル出力信号Ｄ
において、Ｓｍａｘの値は、０を含めて下から７段階目
のレベル、「００１１０」（１０進表示６）である。

【００２６】やはり、１つ前の１０サンプリング時間に
おける演算により、係数発生手段７が係数Ｇとして、Ｇ
＝２を出力しているとする。その結果、Ａ／Ｄ変換器１
の基準値がＧ＝１のときの１／２倍になることにより、
アナログ入力信号Ａは、２倍の変換利得を得、Ａ／Ｄ変
換出力Ｂとなる。これは、４ビットの符号長であった
が、次の演算手段２における、符号長拡大変換手段３に
より、５ビットの符号長に変換され、符号長拡大変換手
段出力Ｃとなる。以後は、第１の実施例と同じ動作をす
る。

【００２７】図４を用いて本発明の適応量子化Ｄ／Ａ変
換装置の概略構成とその動作を説明する。図４は、本発
明の適応量子化Ｄ／Ａ変換装置の概略構成図である。図
中、１０は演算手段、１１は乗算器、１２は符号長縮小
変換手段、１３はＤ／Ａ変換器、１４は最大絶対値また
は平均絶対値検出手段、１５は比較手段、１６は係数発
生手段、Ｄ’はディジタル入力信号、Ｃ’は符号長縮小
変換手段入力、Ｂ’はＤ／Ａ変換器入力、Ａ’はアナロ
グ出力信号、Ｓ’ｍａｘはディジタル入力信号Ｄ’にお
いて所定期間内の複数サンプル値の最大絶対値または平
均絶対値、Ｉｍａｘは最大Ｄ／Ａ変換絶対値、Ｇ’およ
びその逆数である１／Ｇ’は係数発生手段７が出力する
係数である。

【００２８】本発明の適応量子化Ｄ／Ａ変換器の入力
は、ディジタル入力信号Ｄ’であり、その出力はアナロ
グ出力信号Ａ’である。ディジタル入力信号Ｄ’は、演
算手段１０内の乗算器１１に入力され、後述の係数発生
手段１６の出力である係数Ｇ’が乗算され、符号長縮小
変換手段入力Ｃ’となり、その符号長を符号長縮小変換
手段１２によりｎビット長からこれより短いｍビット長
に変換され、Ｄ／Ａ変換器入力Ｂ’となる。符号長縮小
変換手段１２とは、具体的には、ｎビット長の符号語の
下位ｎ−ｍビットを除去するものである。なお、このよ
うな変換をすると、ｎビット長の符号語における、ＭＳ
Ｂが０、それ以下のｍ−１ビットが全て１、その後のｎ
−ｍビットが全て０となる値を越えるものについては、
一律に切り捨てられてしまう。これを回避する必要があ
るときには、乗算手段において、常に（２^m−１）／
（２ⁿ−１）を乗算しておけばよい。

【００２９】Ｄ／Ａ変換器入力Ｂ’の符号長、すなわ
ち、Ｄ／Ａ変換器１３の符号化ビット数はｍビットであ
る。Ｄ／Ａ変換器１３は後述の係数発生手段１６の出力
である係数１／Ｇ’により変換利得を１／Ｇ’倍され
る。ここで、Ｄ／Ａ変換器１３の変換利得とは、出力信
号の振幅の量子化幅を量子化ステップ数１で割った値、
すなわち、量子化幅を意味する。したがって、変換利得
が１／Ｇ’倍されると、Ｄ／Ａ変換器出力Ｂ’も１／
Ｇ’倍となるから、Ｄ／Ａ変換器入力Ｂ’は、Ｄ／Ａ変
換器１３により、等価的に１／Ｇ’倍されて変換される
こととなる。この変換利得を変えることは、量子化幅を
変えることと等価である。

【００３０】このような変換利得可変のＤ／Ａ変換器１
３を実現する第１の実施例としては、ディジタル入力信
号を振幅値に変換した後、可変増幅率の増幅器に通して
からアナログ出力信号Ａ’を出力するものである。その
第２の実施例としては、Ｄ／Ａ変換器１３の基準値を可
変にするものである。Ｄ／Ａ変換器１３として電流また
は電圧加算型等のＲ−２Ｒラダー抵抗型Ｄ／Ａ変換回路
やを用いた場合には、基準値である基準電圧を１／Ｇ倍
する。基準電圧を変更する乗算型Ｄ／Ａ変換回路を用い
てもよい。

【００３１】ディジタル入力信号Ｄ’は、また、最大絶
対値または平均絶対値検出手段１４に入力され、ディジ
タル演算等により所定期間内の複数サンプル値の最大絶
対値または平均値絶対値Ｓ’ｍａｘが求められる。この
Ｓ’ｍａｘの値は、比較手段１５において、ディジタル
演算等により最大Ｄ／Ａ変換絶対値Ｉｍａｘと比較され
る。この最大Ｄ／Ａ変換絶対値Ｉｍａｘとは、入力信号
Ａが正方向または負方向に過大となって、Ｄ／Ａ変換器
入力Ｂ’がオーバーフロー、すなわち、飽和するとき
の、符号長ｎビットの符号語における絶対値である。デ
ィジタル値を２の補数で表すと、正方向に過大となると
き、ｍビット長のＡ／Ｄ変換器入力Ｂ’は、ＭＳＢが
０、それ以下のｍ−１ビットが全て１となるが、これ
を、ディジタル入力信号Ｄ’のような符号長ｎビットの
符号語で表すと、ＭＳＢが０、それ以下のｍ−１ビット
が全て１、その後のｎ−ｍビットが全て０となる。一
方、負方向に過大となるとき、ｍビット長のＡ／Ｄ変換
器出力Ｂは、ＭＳＢが１、それ以下のｍ−１ビットが全
て０となるが、これを、ディジタル出力信号Ｄ’のよう
な符号長ｎビットの符号語で表すと、ＭＳＢが１、それ
以下のｎ−１ビットが全て０となる。したがって、ディ
ジタル入力信号が正方向に過大となる場合の方が、小さ
な絶対値でオーバーフローするから、前記のＩｍａｘの
値は、ＭＳＢが０、それ以下のｍ−１ビットが全て１、
その後のｎ−ｍビットが全て０となるものである。

【００３２】比較手段１５を実現するための一実施例
は、ディジタル割算器であり、演算値Ｉｍａｘ／Ｓ’ｍ
ａｘが出力される。係数発生手段７は、この演算値Ｉｍ
ａｘ／Ｓ’ｍａｘに基づいて係数Ｇ’＝ｋ・Ｉｍａｘ／
Ｓ’ｍａｘとその逆数である係数１／Ｇ’とを出力す
る。ここで、ｋは、緩和係数であり、ｋ≦１の所定値を
とる。

【００３３】比較手段１５および係数発生手段１６は、
一体のものとして、これを、Ｓ’ｍａｘに応じて係数
Ｇ’、１／Ｇ’を発生する変換テーブルで実現してもよ
い。係数Ｇ’の値は、２のべき乗に設定すると、変換テ
ーブルや、乗算器１１およびＤ／Ａ変換器１３の構成が
簡単になる。

【００３４】なお、ディジタル入力信号Ｄ’の所定期間
内の複数サンプル値の最大絶対値または平均絶対値は、
最大絶対値または平均値絶対値検出手段１４が所定期間
内の複数サンプル値を全て取り込んで知り得るものであ
る。そして、その結果に基づいて初めて最適な係数
Ｇ’，１／Ｇ’を発生することができる。したがって、
最大絶対値または平均値絶対値検出手段１４が所定期間
内の複数サンプル値を全て取り込み、比較手段１５を経
て、係数発生手段１６が係数Ｇ’、１／Ｇ’の値を出力
することが可能になるまで、演算手段１０、Ｄ／Ａ変換
器１３の動作を遅延させるようにすればよい。または、
先行する所定期間で得た係数Ｇ’の値を用いて、Ｄ／Ａ
変換器１３を動作させればよい。このような係数Ｇ’を
得る所定期間は、必ずしも１つ前の所定期間である必要
はなく、例えば、複数の先行する所定期間としてもよ
く、その際、過去にさかのぼるにしたがって、重みづけ
を小さくするようにしてもよい。また、現在の所定期間
で得たＧ’の値も加味してよい。なお、最初の所定期間
での係数Ｇ’の値は、所定値にしておくか、または、先
に述べたような、遅延動作を伴うものとしてもよい。

【００３５】以上のとおりであるから、係数Ｇ’は、乗
算器１１において、ディジタル入力信号Ｄ’をＧ’倍
し、Ａ／Ｄ変換器入力信号Ｂ’をＧ’倍する。Ｇ’＝ｋ
・Ｉｍａｘ／Ｓ’ｍａｘであるから、Ａ／Ｄ変換器入力
Ｂ’の絶対値の最大値または平均値は、ｋ・Ｉｍａｘと
なる。ここで、ｋ＝１とすれば、Ｄ／Ａ変換器１３の変
換能力をほぼ最大限利用できることとなる。そして、Ｄ
／Ａ変換器１３においては、逆に、アナログ出力信号
Ａ’が１／Ｇ’倍され、アナログ出力信号Ａ’が元のデ
ィジタル入力信号Ｄ’に対応するものとなる。しかも、
ディジタル入力信号Ｄ’が小さな値であっても、乗算係
数Ｇ’の値が大きくされることによって量子化幅が大き
くされるから、量子化ノイズが小さくなり、従来のＤ／
Ａ変換器の量子化幅の半分よりも小さなディジタル入力
信号も切り捨てられることがなくなる。

【００３６】ここで、ｋの値について説明する。先に述
べたＡ／Ｄ変換器の場合と同様であるが、最大絶対値ま
たは平均絶対値検出手段１４が、絶対値の平均値を検出
するものである場合には、ｋ＝１では、ディジタル入力
信号Ｄ’の平均値を超える部分でオーバーフローしてし
まうが、このオーバーフローを防止する必要があるとき
には、最大値レベルと平均値レベルとの統計的相関、オ
ーバーフローの許容度に応じ、緩和係数ｋをｋ＜１の範
囲で定める。Ｄ／Ａ変換器入力Ｂ’がまた、先行する所
定期間で得た係数Ｇ’の値を用いるときには、絶対値の
最大値を検出するものである場合にも、後続の所定期間
でディジタル入力信号Ｄ’が過大になり、Ｄ／Ａ変換器
入力Ｂ’がオーバーフローすることがある。このオーバ
ーフローを防止する必要があるときには、緩和係数ｋを
ｋ＜１の範囲で定める。ｋの値は、１／２または１／４
が適当である。

【００３７】図２を流用して、変換利得可変のＤ／Ａ変
換器１３としてディジタル入力信号を振幅値に変換した
後、可変増幅率の増幅器に通してアナログ出力信号Ａ’
を出力する第１の実施例の動作を説明する。ここで、図
中の記号Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｓｍａｘ，Ｉｍａｘは、それぞれ
図４に示した、Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｓ’ｍａｘ，Ｉ’ｍ
ａｘに読み代えるものとし、また、図中の記号ＧＡはＧ
Ａ’に読み代えるものとする。ＧＡ’は、Ａ／Ｄ変換器
１内の可変増幅率の増幅器の入力信号をナイキストフィ
ルタに通した後の波形を示すものとする。記号Ａは、ア
ナログ出力信号Ａ’をナイキストフィルタに通した後の
波形を示すものとする。

【００３８】１つ前の１０サンプリング時間における演
算により、係数発生手段１６が係数Ｇ’として、Ｇ’＝
２を出力しているとする。その結果、ディジタル入力信
号Ｄ’は、乗算器１１により、Ｇ’＝１のときに比べ２
倍され、符号長縮小変換手段入力Ｃ’となった上で、符
号長縮小変換手段１２により５ビット長から４ビット長
に変換され、Ｄ／Ａ変換器入力Ｂ’となる。Ｄ／Ａ変換
器１３は、ディジタル入力信号を振幅値に変換し、これ
を可変増幅率の増幅器の入力信号ＧＡ’とし、増幅す
る。増幅率は、１／Ｇ’＝１のときに比べ１／２とす
る。その結果、係数発生手段１６の出力である係数１／
Ｇ’＝１／２により変換利得が１／２倍される。最大絶
対値または平均絶対値検出手段１４は、１０サンプリン
グ時間内のディジタル入力信号Ｄ’の中から、最大絶対
値を検出し、Ｓ’ｍａｘ＝６を得る。Ｉｍａｘ’＝１４
であるから、比較手段６は、１４／６の５ビット演算を
行ない、切り捨てをすると２となり、緩和係数ｋ＝１／
２とすると、Ｇ’＝１となり、この値が次の１０サンプ
リング時間のための係数Ｇ’の値となる。

【００３９】図３を流用して、変換利得可変のＤ／Ａ変
換器１３としてＤ／Ａ変換器１３の基準値を可変にする
第２の実施例の動作を説明する。ここで、図中の記号
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｓｍａｘ，Ｉｍａｘは、それぞれ図４に示
した、Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｓｍａｘ’，Ｉｍａｘ’に読
み代えるものとし、また、記号Ａは、アナログ出力信号
Ａ’をナイキストフィルタに通した後の波形を示すもの
とする。

【００４０】やはり、１つ前の１０サンプリング時間に
おける演算により、係数発生手段１６が係数Ｇ’とし
て、Ｇ’＝２を出力しているとする。その結果、ディジ
タル入力信号Ｄ’は、乗算器１１により、Ｇ’＝１のと
きに比べ２倍され、符号長縮小変換手段入力Ｃ’となっ
た上で、符号長縮小変換手段１２により５ビット長から
４ビット長に変換され、Ｄ／Ａ変換器入力Ｂ’となる。
Ｄ／Ａ変換器１３は、基準値を１／Ｇ’＝１のときに比
べ１／２倍とする。その結果、係数発生手段１６の出力
である係数１／Ｇ’＝１／２により変換利得が１／２倍
される。以後は、第１の実施例と同じ動作をする。

【００４１】本発明の適応化Ａ／Ｄ変換装置を音声符号
化処理の前段階に用いた一実施例を説明する。図５は、
適応化Ａ／Ｄ変換装置の一実施例の動作を示す図であ
る。図中、Ｓ５０は最初のサブフレームにおける初期値
設定ステップ、Ｓ５１からＳ５６までは適応量子化のた
めのステップ、Ｓ５７は１フレーム分の処理の終了を判
断するステップ、Ｓ５８は音声符号化ステップである。

【００４２】音声符号化処理Ｓ５８は、２０ｍｓ毎に、
１フレーム１６０サンプルを単位として処理する。サン
プリング周波数は、８ｋＨｚである。この音声符号化の
処理の前に行なうＡ／Ｄ変換に、本発明の適応量子化Ａ
／Ｄ変換装置を用いる。なお、本発明の適応量子化Ｄ／
Ａ変換装置は、この音声符号化処理されたものから、元
の音声信号を復元する際に用いられる。この適応化処理
のためのサブフレームの単位は３２サンプルであり、１
フレーム中にサブフレームが５回繰り返される。１フレ
ーム中の最初のサブフレームにおけるＳ５０において、
Ｇ＝１を初期設定し、Ｓ５０からＳ５６までが実行さ
れ、次のサブフレームからは、Ｓ５６において得られた
Ｇの値を用いてＳ５１からＳ５６が実行され、Ｓ５７に
おいて５個のサブフレームついて演算が終了したことを
検出すると、Ａ／Ｄ変換装置の適応化処理が終了し、１
６０個のサンプルは、Ｓ５８において音声符号化処理が
行なわれる。

【００４３】Ａ／Ｄ変換器の符号化ビット数は、８ビッ
トとする。演算処理過程中のディジタル信号及び音声符
号化処理回路へのディジタル信号出力の符号長は、１６
ビットとする。また、Ａ／Ｄ変換することができるアナ
ログ入力信号を２の補数で表して、−５Ｖ〜＋５（２⁸
−１）／２⁸Ｖとすると、Ａ／Ｄ変換することができる
アナログ入力信号の最大の絶対値は、５（２⁸−１）／
２⁸Ｖとなる。このとき、最大Ａ／Ｄ変換絶対値は、８
ビット符号長では、７Ｆｈ（０１１１１１１１）、１６
ビット符号長では、７Ｆ００ｈ（０１１１１１１１００
００００００）となる。

【００４４】まず、１フレーム中の最初のサブフレーム
における適応化処理の詳細について説明する。Ｓ５０に
おいて、Ｇ＝１とされた後、Ｓ５１において、音声信号
が入力される。係数Ｇ＝１であるから、Ｓ５１において
振幅値が変わらず、Ｓ５２において８ビットのＡ／Ｄ変
換がなされ、その下位に８ビットの全０ビット列が付加
され１６ビット長に変換され、以後の信号処理に用いら
れる。Ｓ５３においても、係数Ｇ＝１であるからこの出
力値は変わらない。Ｓ５４において１サブフレーム分３
２サンプルの取り込みが終了したかどうかを判別し、３
２サンプルの取り込みが終了するまで、Ｓ５１からＳ５
３が繰り返される。このようにして、最初のサブフレー
ム３２サンプルのＡ／Ｄ変換がなされた後、Ｓ５５にお
いてこれら３２サンプルの絶対値の最大値Ｓｍａｘを検
出する。Ｓ５６において、最大Ａ／Ｄ変換絶対値Ｉｍａ
ｘ７Ｆ００ｈをこの最大値Ｓｍａｘで割り、これに緩和
係数ｋを乗算して、係数Ｇの値を得る。Ｓ５７におい
て、１フレーム中の全てのサブフレームを処理したかを
調べる。現在は、１番目のサブフレームの処理が終了し
た直後であるからＳ５１に戻る。

【００４５】第２番目のサブフレームの処理過程を説明
する。Ｓ５１において、音声信号が入力され、振幅値は
Ｇ倍される。Ｓ５２において、８ビットのＡ／Ｄ変換が
なされると、８ビットのディジタル信号が出力される
が、その下位に８ビットの全０ビット列がつけ加えられ
１６ビット長のディジタル信号に変換されて、以後の信
号処理に用いられる。Ｓ５３において、ディジタル信号
には１／Ｇが乗算される。Ｓ５４において１サブフレー
ム分３２サンプルの取り込みが終了したかどうかを判別
し、３２サンプルの取り込みが終了するまで、Ｓ５１か
らＳ５３が繰り返される。このようにして、最初のサブ
フレーム３２サンプルのＡ／Ｄ変換がなされた後、Ｓ５
５において、３２サンプルの絶対値の最大値を検出す
る。Ｓ５５において、最大Ａ／Ｄ変換絶対値７Ｆ００ｈ
を、３２サンプルの絶対値の最大値で割り、これに緩和
係数１／２を乗算して、新たなＧの値を算出する。Ｓ５
７において、１フレーム中の全てのサブフレームを処理
したかを調べる。現在は、２番目のサブフレームの処理
が終了した直後であるから、Ｓ５１に戻り、第３番目の
サブフレームの３２個のサンプルが取り込まれる。

【００４６】このようにして、第５番目のサブフレーム
までの処理が終了すると、Ｓ５７からＳ５８に進み、１
フレーム１６０個のサンプル値が適応量子化Ａ／Ｄ変換
されたものが音声符号化処理されることとなる。

【００４７】なお、１サブフレーム単位、あるいは、１
サンプル単位にＡ／Ｄ変換出力のサンプル値を音声符号
化処理ステップに渡すようにフローを変更してもよい。
すなわち、Ｓ５８をＳ５６とＳ５７の間や、Ｓ５３とＳ
５４の間に入れることができる。また、サブフレームを
なくし、１フレーム単位で係数Ｇを算出してもよい。す
なわち、Ｓ５５において１フレーム１６０サンプルの絶
対値の最大値を得て、Ｓ５４をなくすことができる。ま
た、Ｓ５５において、最大絶対値の検出を１サブフレー
ムごとのサンプル値ではなく、過去の所定数のサンプル
値の中での最大絶対値の検出をするように、１サンプル
毎にＳ５５，Ｓ５６を実行するようにしてもよい。すな
わち、Ｓ５４をなくして、１サンプルごとに係数Ｇを
得、次以降のサンプル値の信号処理に用いることもでき
る。

【００４８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の適応量子化Ａ／Ｄ変換装置、および、Ｄ／Ａ変換装置
によれば、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器の符号化ビット
数よりも高品位の音声信号処理をすることができダイナ
ミックレンジを広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適応量子化Ａ／Ｄ変換装置の概略構成
図である。

【図２】第１の実施例の動作を示す図である。

【図３】第２実施例の動作を示す図である。

【図４】本発明の適応量子化Ｄ／Ａ変換装置の概略構成
図である。

【図５】適応化Ａ／Ｄ変換装置の一実施例の動作を示す
図である。

【符号の説明】

１…Ａ／Ｄ変換器、２…演算手段、３…符号長拡大変換
手段、４…乗算器、５…絶対値の最大または平均値検出
手段、６…比較手段、７…係数発生手段、１０…演算手
段、１１…乗算器、１２…符号長縮小変換手段、１３…
Ｄ／Ａ変換器、１４…最大絶対値または平均絶対値検出
手段、１５…比較手段、１６…係数発生手段。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アナログ信号をｍビットのディジタル信
号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器により変
換されたｍビットのディジタル信号の下位に所定ビット
数のビットを付加してｎビットのディジタル信号に変換
する符号長拡大変換手段と該符号長拡大変換手段により
変換されたｎビットのディジタル信号に対して乗算を行
なう乗算手段とよりなる演算手段と、該演算手段の出力
の所定期間内の最大絶対値または平均絶対値と最大Ａ／
Ｄ変換絶対値とを比較する比較手段と、該比較手段の出
力に基づいて係数Ｇを発生する係数発生手段を有し、前
記Ａ／Ｄ変換器は、前記係数発生手段の出力によりその
変換利得がＧ倍され、前記乗算手段は、前記係数発生手
段の出力により前記ｎビットのディジタル信号に対して
乗算係数を１／Ｇとする乗算を行なうものであることを
特徴とする適応量子化Ａ／Ｄ変換装置。
【請求項２】前記比較手段は、前記最大Ａ／Ｄ変換絶
対値を前記演算手段出力の所定期間内の最大絶対値また
は平均絶対値で除算する手段であり、前記Ｇの値は、前
記比較手段の出力に１未満の所定の係数を乗算した値で
あることを特徴とする請求項１に記載の適応量子化Ａ／
Ｄ変換装置。
【請求項３】前記係数発生手段は、前記所定期間での
比較手段の出力に応じて、次の所定期間での係数を発生
するものであることを特徴とする請求項１または２に記
載の適応量子化Ａ／Ｄ変換装置。
【請求項４】入力されるｎビットのディジタル信号に
対して乗算を行なう乗算手段と該乗算手段の出力のｎビ
ットのディジタル信号の下位の所定ビット数を除去して
ｍビットのディジタル信号に変換する符号長縮小変換手
段とよりなる演算手段と、該演算手段の出力をアナログ
信号に変換するＤ／Ａ変換器と、該演算手段入力の所定
期間内の最大絶対値または平均絶対値と最大Ｄ／Ａ変換
絶対値とを比較する比較手段と、該比較手段の出力に基
づいて係数Ｇ’を発生する係数発生手段を有し、前記Ｄ
／Ａ変換器は、前記係数発生手段の出力によりその変換
利得が１／Ｇ’倍され、前記乗算手段は、前記係数発生
手段の出力により前記ｎビットのディジタル信号に対し
て乗算係数をＧとする乗算を行なうものであることを特
徴とする適応量子化Ｄ／Ａ変換装置。