JP3465455B2 - 信号伝送装置 - Google Patents
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Description
された1ビット信号を伝送する信号伝送装置及び方法に
関する。 【0002】 【従来の技術】一般的に、音声信号をディジタル化する
方法としては、アナログオーディオ信号を例えばサンプ
リング周波数44.1KHz、データ語調16ビットの
マルチビットオーディオ信号に変換する方法が知られて
いる。 【0003】これに対して、近時ではシグマデルタ(Σ
Δ)変調と呼ばれる方法で音声信号をディジタル化して
得られた1ビットオーディオ信号をそのままアナログオ
ーディオ信号に変換することが考えられるようになっ
た。 【0004】ΣΔ変調された1ビットオーディオ信号
は、従来のマルチビットオーディオ信号に使われてきた
データのフォーマットに比べて、例えばサンプリング周
波数が44.1KHzの64倍でデータ語長が1ビット
というように、非常に高いサンプリング周波数と短いデ
ータ語長といった形をしており、広い伝送可能周波数帯
域を特長にしている。また、ΣΔ変調により1ビットオ
ーディオ信号であっても、64倍というオーバーサンプ
リング周波数に対して低域であるオーディオ帯域におい
て、高いダイナミックレンジをも確保できる。 【0005】この特徴を生かしてΣΔ変調によって得ら
れた1ビットオーディオ信号は、高音質のレコーダーや
データ伝送に応用することができる。 【0006】ΣΔ変調回路自体はとりわけ新しい技術で
はなく、回路構成がIC化に適していて、また比較的簡
単にAD変換の精度を得ることができることから従来か
らA/Dコンバータの内部などではよく用いられている
回路である。 【0007】ΣΔ変調により得られた上記1ビットオー
ディオ信号は、簡単なアナログローパスフィルターを通
すことによって、アナログオーディオ信号に戻すことが
できる。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】ところで、この1ビッ
トオーディオ信号は1と0の純然たるデジタル信号であ
りながら、アナログローパスフィルターを通すことによ
って、アナログオーディオ信号に戻すことができること
からもわかるようにその低域成分はアナログオーディオ
信号成分そのものである。 【0009】例えば、オーケストラ音楽を50KHzま
で分析した結果を図13に示し、上記1ビットオーディ
オ信号の低域成分のアナログオーディオ信号成分化を説
明する。この図13は、上記50KHzまでのオーケス
トラ音楽のスペクトル分析図である。30KHz以上で
レベルが上昇していくのはΣΔ変調時のノイズシェイプ
成分であり、それ以下がアナログオーディオ信号成分で
ある。このようにΣΔ変調された1ビットオーディオ信
号は1と0のデジタル信号そのものでありながらその低
域成分はアナログオーディオ信号成分となる。 【0010】したがって、それらを伝送するデジタル回
路にアナログオーディオ信号成分も流れることになり、
それらを伝送することによるデジタル回路の電源変動や
輻射ノイズはアナログオーディオ信号と非常に相関の高
いものとなり、伝送されるデジタル信号自身が電源変動
により振幅方向に変調を受け、その結果アナログオーデ
ィオ信号成分に非常に相関の高いジッタ変動が発生する
ので音の品質を落とすことになる。これは、デジタル信
号は1と0の判定にあたってあるスレシュホールドに対
する信号振幅値の大小を基準にしているため、電源変動
により振幅値が微小変動をうけると、そのスレシュホー
ルドを超えるタイミングがかわることになり、結果ジッ
タ変動が発生することによる。 【0011】また、アナログオーディオ部にデジタル回
路による輻射ノイズが混入して悪影響を与えたりするこ
とにもなる。この輻射ノイズにはアナログオーディオ信
号成分も含まれているのでD/Aされた信号に対してそ
のD/A以前のタイミングでおなじアナログオーディオ
信号成分が輻射ノイズによりアナログオーディオ部に混
入され、特に有害である。 【0012】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、ΣΔ変調された1ビット信号を伝送する際、ア
ナログオーディオ信号成分を抑制して高品質なディジタ
ル信号伝送を可能とする信号伝送装置の提供を目的とす
る。 【0013】 【課題を解決するための手段】本発明に係る信号伝送装
置は、上記課題を解決するために、シグマデルタ変調に
より得られた1ビット信号を伝送部を介して伝送する信
号伝送装置において、1ビット信号を位相変調する位相
変調手段と、伝送部を通した位相変調手段にて位相変調
された1ビット信号をアナログ非巡回形フィルターを用
いて復調する位相復調手段とを備える。 【0014】 【0015】 【0016】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る信号伝送装置
の実施の形態について説明する。 【0017】先ず、第1の実施形態について図1〜図4
を参照しながら説明する。この第1の実施形態は、シグ
マデルタ変調により得られた1ビットオーディオ信号を
伝送路8を通して伝送する1ビットオーディオ信号伝送
装置1であり、シグマデルタ(ΣΔ)変調器3からの1
ビットオーディオ信号S1を位相変調する位相変調部4
と、伝送路8が通した位相変調部4からの位相変調信号
S3を復調する位相復調部9とを備えてなる。 【0018】ΣΔ変調器3は、図2に示すような構成と
なる。すなわち、入力端子2から入力されるアナログオ
ーディオ信号S0は、加算器11を介して積分器12に
供給される。この積分器12からの積分値は比較器13
に供給され、上記アナログオーディオ信号S0の中点電
位と比較されて1サンプル期間毎に1ビット量子化処理
されて1ビットオーディオ信号S1として出力される。 【0019】この1ビットオーディオ信号S1が1サン
プル遅延器14に供給されて1サンプル期間分遅延され
る。この遅延信号が1ビットのD/A変換器15でアナ
ログ信号に変換されて加算器11に供給されて、上記ア
ナログオーディオ信号S0に加算される。そして比較器
13から出力される1ビットオーディオ信号S1が位相
変調部4に供給される。 【0020】位相変調部4は、Dフリップフロップより
なるDラッッチ5と、切り換えスイッチ6よりなる。D
ラッチ5は、クロック入力端子7から供給される上記1
ビットオーディオ信号入力時の伝送レートに等しいクロ
ックCK1により上記1ビットオーディオ信号S1の正相
出力S2及び逆相出力S* 2を出力する。切り換えスイッ
チ6は、上記正相出力S2及び逆相出力S* 2を上記クロ
ックCK1に応じて交互に出力して位相変調信号S3を生
成する。 【0021】上記クロックCK1は、例えばコンパクト
ディスクで使われている標本化周波数44.1KHz
(=FS)の64倍のクロック(以後、64FSクロック
と記す。)である。すなわち、ΣΔ変調器3でΣΔ変調
されて出力された1ビットオーディオ信号S1の伝送レ
ートをFSの64倍とすると、この64FSのデータレー
トで位相変調部4に入力された1ビットオーディオ信号
S1は、64FSクロックCK1により例えば立ち上がり
エッジでDラッチ5によりラッチされる。 【0022】位相復調部9もDラッチよりなり(以下、
Dラッチ9とする。)、位相変調部4から伝送された上
記64FSクロックCK1の立ち上がりエッジにより伝送
路8を介して伝送された位相変調信号S3をラッチして
いる。 【0023】このような構成の1ビットオーディオ信号
伝送装置1の動作を図3のタイミングチャートを参照し
ながら説明する。 【0024】ΣΔ変調器3からの1ビットオーディオ信
号入力S1は、クロック入力端子7から供給される64
FSクロックCK1の立ち上がりエッジでDラッチ5によ
りラッチされる。Dラッチ5は、正端子Qから正相出力
S2を切り換えスイッチ6の被選択端子aに、また反転
端子Qバー(Q*と記す。)から逆相出力S* 2を切り換
えスイッチ6の被選択端子bに供給する。 【0025】切り換えスイッチ6は、64FSクロック
CK1が“1”の時にDラッチ5の逆相出力S* 2を、ま
た64FSクロックが“0”の時に正相出力S2を交互に
配置して位相変調信号S3を生成するように、可動切り
換え片cを被選択端子a又は被選択端子bに切り換え
る。 【0026】この位相変調信号S3は、従来、正相の1
ビットオーディオ信号のみを伝送路で伝送する際に、該
1ビットオーディオ信号の低域成分がアナログオーディ
オ信号成分化していることにより生じたジッタ発生や、
輻射ノイズ発生による信号品質の劣化を防ぐことができ
る。 【0027】位相変調とは、データが“1”の時は上向
きに、“0”の時は下向きに極性反転を行う変調方式
で、変調後のデータレートを変調前の2倍とすると、
“1”の時は01に、“0”の時は10にデータ変換さ
れることになる。この変換はΣΔ変調された1ビットオ
ーディオ信号にとって、その信号に対して逆相の信号
を、変調後のデータレートで1ビット遅延させて混合さ
せることと等価であり、そのデータレートに対して十分
低域であるアナログオーディオ信号成分は逆相でキャン
セルされて、そのレベルが十分抑圧される。またこの位
相変調は前述の極性反転とは逆の位相、つまりデータが
“1”の時は10に、“0”の時は01にデータ変換し
てもよい。 【0028】位相変調信号S3は、伝送路8を通って位
相復調部であるDラッチ9に供給される。Dラッチ9
は、64FSクロックCK2により立ち上がりエッジで上
記位相変調信号S3をラッチすることにより、正相出力
に相当する1ビットオーディオ信号出力のみをラッチす
ることができ、結果として位相復調したことになり、も
との1ビットオーディオ信号入力S1と同じ1ビットオ
ーディオ信号出力S4を出力端子10から出力すること
ができる。 【0029】図4を用いてこの1ビットオーディオ信号
伝送装置1の効果を説明する。この図4は、位相変調さ
れた1ビットオーディオ信号のスペクトル分析図であ
る。その低域成分は打ち消されて十分低いレベルになっ
ているのがわかる。このことより、この位相変調された
1ビットオーディオ信号を処理するデジタル回路の電源
変動や輻射ノイズはアナログオーディオ信号に対して相
関の十分低いものとなるので、1ビットオーディオ信号
を高品質のうちに伝送できる。また、アナログオーディ
オ部への悪影響の排除を可能とするのである。 【0030】次に、第2の実施形態について図5及び図
6を参照しながら説明する。この第2の実施形態も、シ
グマデルタ変調により得られた1ビットオーディオ信号
を伝送部を通して伝送する1ビットオーディオ信号伝送
装置15であるが、位相変調部16が上記第1の実施形
態の1ビットオーディオ信号伝送装置1の位相変調部4
と異なる。特に、位相変調部16内でも、シフトレジス
タ17を上記切り換えスイッチ6の代わりに用いている
点が異なる。 【0031】シフトレジスタ17は、64FSクロック
CK1で入力されるデータのロード及びシフトを制御
し、128FSクロックCK3で位相変調した1ビットオ
ーディオ信号S5を伝送路8へ送出している。 【0032】このシフトレジスタ17は、同期ロードで
あるので64FSクロックCK1が“1”の時、128F
SクロックCK3の立ち上がりエッジで、Dラッチ5の正
相出力S2及び逆相出力S* 2を入力端子H及び入力端子
Gからロードし、64FSクロックCK1が“0”の時、
128FSクロックCK3の立ち上がりエッジで上記正相
出力S2及び逆相出力S* 2をシフトする。こうして図6
に示す位相変調信号S5が生成される。 【0033】位相復調部となるDラッチ9では、64F
SクロックCK2の立ち上がりエッジで伝送路8を介して
伝送された位相変調信号S5をラッチすることにより位
相復調出力となる1ビットオーディオ信号S6を出力端
子10から出力する。 【0034】したがって、この1ビットオーディオ信号
伝送装置15でもデジタル回路の電源変動や輻射ノイズ
を防ぐことができ、1ビットオーディオ信号を高品質の
うちに伝送できる。また、アナログオーディオ部への悪
影響の排除を可能とするのである。 【0035】この第2の実施形態となる1ビットオーデ
ィオ信号伝送装置151では、位相復調部9に位相変調
部16側から伝送されてきた上記64FSクロックCK1
を用いて位相変調信号S5を復調しているが、図7に示
すようなクロック自己抽出回路19を用いて、伝送路8
を介して伝送された位相変調信号S5から64FSクロッ
クCK2を抽出し、この64FSクロックCK2を用いて
位相変調信号S5を復調してもよい。 【0036】クロック自己抽出回路19は、位相変調信
号S5よりビットクロック成分を抽出し、PLLをロッ
クすることによりビット同期をかける方法であり、従来
から電子計算機のMT(Magnetic Tape)装置等に採用
されている。 【0037】ところで、従来のマルチビットオーディオ
信号では、デジタルミュートされたデータはオールゼロ
であり、その信号に位相変調をかけると101010・
・・というふうに“1”と“0”が反転し続けるだけの
パターンになってしまい、その場合、オール“1”の場
合の010101・・・と区別がつかずデータビット同
期がかけられないという事態が起こった。つまり、図7
において位相変調信号s5に対して64fsクロックCK
2の周波数同期はかかるが位相同期がかからず、Dラッ
チ9においてラッチしたデータが正しいのか、逆相なの
か判別できないということになる。 【0038】しかし、ここで扱う1ビットオーディオ信
号では長期間“1”が出続けるとか“0”が出続けると
かとかということがなく、さらにはデジタルミュートさ
れてもデータは101010・・・とか1001011
0・・・とかのパターンなので、このデータを位相変調
してもビットクロック成分を抽出することと、その位相
変調信号のデータビット同期をかけることが可能とな
る。例えば10011を位相変調すると0110100
101というパターンになり、同じ符号が2度連続する
箇所がもとのデータの変化点であることが分かる。 【0039】また、1ビットオーディオ信号伝送装置1
5の変形例としては、位相復調部9を図8に示すような
位相復調部20とした1ビットオーディオ信号伝送装置
を考慮してもよい。 【0040】この変形例の位相復調部20は、図5にお
ける位相復調部9に差動出力を持たせたものである。伝
送路8を介して伝送された位相変調信号S5は、図9に
示すように、Dラッチ21により64FSクロックCK2
の立ち上がりエッジで正相の部分がラッチされ、Dラッ
チ22によりインバータ25で反転された64FSクロ
ックCK4の立ち下がりエッジで逆相の部分がラッチさ
れる。 【0041】さらに、Dラッチ23で上記正相部分とな
るDラッチ21の出力が、Dラッチ24で上記逆相部分
となるDラッチ22の出力が64FSクロックCK2の立
ち上がりエッジでラッチしなおされ、タイミングを同期
されることにより、1ビット正相信号出力S7と、1ビ
ット逆相信号出力S* 7とが得られる。 【0042】そこで、この位相復調部20の後段に上記
1ビット正相信号出力S7と上記1ビット逆相信号出力
S* 7とを差動入力とした差動増幅部を設けることによ
り、伝送路8で何らかの理由により混入した外来ノイズ
も打ち消すことができる。 【0043】さらにまた、1ビットオーディオ信号伝送
装置15の他の変形例としては、図10に示すような位
相復調部26を用いた1ビットオーディオ信号伝送装置
を考慮してもよい。 【0044】この他の変形例の位相復調部26は、アナ
ログの非巡回形(FIR)フィルタに位相復調機能を兼
ねさせたものである。この位相復調部26は、4タップ
のアナログFIRフィルタを兼ねている。入力端子27
から供給される位相変調信号S5はDラッチ29、3
0、31、32、33及び34においてクロック入力端
子28から供給される128FSクロックCK5に同期し
てシフトレジストされていく。そして、Dラッチ36に
おいて位相変調信号S5が、Dラッチ37、38及び3
9においてDラッチ30、32及び34の出力が64F
SクロックCK2でラッチされることにより位相復調が行
われる。位相復調された出力は、抵抗40、41、43
及び44とコンデンサ45とによってD/A変換され
る。 【0045】したがって、この位相復調部26は、D/
A変換の直前で位相変調信号S5を位相復調するので高
品質のD/A変換出力を導出することができる。 【0046】また、この位相復調部26の前段に、本件
出願人が既に特願平7−313346号により出願した
信号処理装置で用いた、1ビットデータに含まれるエラ
ーを検出するエラー検出手段と、このエラー検出手段に
て検出したエラーに基づいてエラー発生期間にわたりF
IRフィルタの出力をホールドし、かつエラー回復後遅
延した信号を発生するホールド信号発生手段を備えさ
せ、上記ホールド信号の発生期間中上記FIRフィルタ
のシフト動作を禁止することで、前値ホールドを行わせ
るようにしてもよい。またさらに、この位相復調部26
は、図8に示した差動出力形の位相復調部にも応用でき
る。 【0047】次に、第3の実施形態について図11及び
図12を参照しながら説明する。この第3の実施形態
も、ΣΔ変調により得られた1ビットオーディオ信号を
伝送部を通して伝送する1ビットオーディオ信号伝送装
置51であるが、内部で同一の直流バイアス電圧のかか
った二つのΣΔ変調器56及び58にアナログオーディ
オ信号と位相が反転された反転アナログオーディオ信号
とを入力して得た二つの出力をΣΔ変調時の2倍のレー
トで交互に配置して変調信号S2を生成する変調部54
と、伝送路63が通した変調部54からの上記変調信号
S2を復調する復調部64とを備えてなる。 【0048】変調部54は、入力端子52からの入力ア
ナログオーディオ信号S0に直流バイアス電圧を印加す
る第1の加算器55と、位相反転器53が入力端子52
からの入力アナログオーディオ信号S0の位相を反転し
て得た位相反転信号S* 0に直流バイアス電圧を印加する
第2の加算器57と、第1の加算器55からの加算出力
にΣΔ変調処理を施す上記第1のΣΔ変調器56と、第
2の加算器57からの加算出力にΣΔ変調処理を施す上
記第2のΣΔ変調器58と、第1のΣΔ変調器56から
の1ビットオーディオデータS1と第2のΣΔ変調器5
8からの1ビットオーディオデータS* 1とを切り換えて
出力するシフトレジスタ59とを備えてなる。 【0049】ここで、ΣΔ変調器56、58は、上記図
2に示すような構成となる。ここでは説明を省略する。 【0050】シフトレジスタ59は、図12に示すよう
な64FSクロックCK1で入力されるデータのロード及
びシフトを制御し、128FSクロックCK3で変調1ビ
ットオーディオ信号S2を伝送路63へ送出している。
このシフトレジスタ59は、上記シフトレジスタ10と
同様に、同期ロードであるので入力端子61からの64
FSクロックCK1が“1”の時、クロック入力端子62
からの128FSクロックCK3の立ち上がりエッジで、
ΣΔ変調器56の正出力S1及びΣΔ変調器58の反転
出力S* 1とを入力端子H及び入力端子Gからロードし、
64FSクロックCK1が“0”の時、128FSクロッ
クCK3の立ち上がりエッジで上記正出力S1及び逆相出
力S* 1をシフトする。 【0051】復調部となるDラッチ64では、64FS
クロックCK2の立ち上がりエッジで伝送路63を介し
て伝送された位相変調信号S2をラッチすることにより
復調出力となる1ビットオーディオ信号S3を出力端子
65から出力する。 【0052】したがって、この1ビットオーディオ信号
伝送装置51でもデジタル回路の電源変動や幅射ノイズ
を防ぐことができ、1ビットオーディオ信号を高品質の
うちに伝送できる。また、アナログオーディオ部への悪
影響の排除を可能とするのである。 【0053】この第3の実施形態となる1ビットオーデ
ィオ信号伝送装置51では、Dラッチ1個のみにより構
成される復調部64を用いているが、上記図8に示した
復調部20を用いてもよい。 【0054】そして、この復調部20の後段に上記1ビ
ット正信号出力S7と上記1ビット反転信号出力S* 7と
を差動入力とした差動増幅部を設けることにより、伝送
路63で何らかの理由により混入した外来ノイズも打ち
消すことができる。 【0055】また、この復調部20を用いれば、ΣΔ変
調器56で発生するトーン現象によるノイズを抑えるた
めに上記DCバイアス電圧を用いることができ、さらに
この上記DCバイアス電圧を以下に説明するようにアナ
ログオーディオ信号への復調前に除去することができ
る。 【0056】第1の加算器55及び第2の加算器57が
電圧入力端子60を介して供給されるDCバイアス電圧
を上記入力アナログオーディオ信号S0及び上記位相反
転信号S* 0に印加するのは、次段のΣΔ変調器で発生す
るトーンという現象の発生を避けるためにも有効であ
る。 【0057】このトーンという現象は、(RobertC.Ledz
ius : The Basis and Architecturefor the Reduction
of Tones in a Sigma-Delta DAC : IEEE VOL.40,NO.7,J
ULY1993)に開示されているように、“0”付近でアイ
ドリングノイズを発生する現象である。このトーンによ
るノイズは、人間には可聴帯域のノイズとなって聞こえ
てしまう。これは、ΣΔ変調回路が“0”の入力を無理
矢理1ビット化しようとすることにより発生する。した
がって、トーン現象により発生したノイズを含んだ1ビ
ットディジタルデータをアナログオーディオ信号として
再生する際には除去しなければならない。このノイズを
除去するために上記DCバイアス電圧をΣΔ変調器56
の入力信号となるアナログオーディオ信号S0に印加し
ている。 【0058】しかし、このDCバイアス電圧は、1ビッ
トオーディオ信号をアナログオーディオ信号として再生
する際には除去しなければならない。仮に、このDCバ
イアス電圧を除去しないで残したままにしておくと、D
/A変換されて得られたアナログオーディオ信号を一旦
ミュート後、ミュート解除した際、アナログオーディオ
信号に急峻なパルス状のノイズが含まれてしまう。ま
た、スピーカにDCバイアスが残ったままのアナログオ
ーディオ信号の供給を継続すると、スピーカのコイルは
DCバイアス分により発熱するので、最悪スピーカを破
壊してしまうことになる。 【0059】そこで、変調部20で得られた上記1ビッ
ト正信号出力S7と、1ビット反転信号出力S* 7とを差
動入力とすれば、DCバイアス電圧を除去できる。 【0060】 【発明の効果】本発明に係る信号伝送装置は、伝送部を
通した位相変調手段にて位相変調された1ビット信号を
アナログ非巡回形フィルターを用いて復調するので、ア
ナログオーディオ信号成分を抑制して高品質なディジタ
ル信号伝送を可能とする。 【0061】
施形態となる1ビットオーディオ信号伝送装置のブロッ
ク図である。 【図2】上記1ビットオーディオ信号伝送装置が伝送し
ようとする1ビットオーディオ信号を出力するΣΔ変調
器3のブロック図である。 【図3】上記1ビットオーディオ信号伝送装置の動作を
説明するためのタイミングチャートである。 【図4】上記1ビットオーディオ信号伝送装置の効果を
示すスペクトル分析図である。 【図5】本発明に係る信号伝送装置及び方法の第2の実
施形態となる1ビットオーディオ信号伝送装置のブロッ
ク図である。 【図6】上記図5に示した1ビットオーディオ信号伝送
装置の動作を説明するためのタイミングチャートであ
る。 【図7】上記図5に示した1ビットオーディオ信号伝送
装置の位相復調部にクロック自己抽出回路を設けたブロ
ック図である。 【図8】上記図5に示した1ビットオーディオ信号伝送
装置の変形例の位相復調部のブロック図である。 【図9】上記図8に示した変形例の動作を説明するため
のタイミングチャートである。 【図10】上記図5に示した1ビットオーディオ信号伝
送装置の他の変形例の位相復調部のブロック図である。 【図11】本発明に係る信号伝送装置及び方法の第3の
実施形態となる1ビットオーディオ信号伝送装置のブロ
ック図である。 【図12】上記図11に示した第3の実施形態となる1
ビットオーディオ信号伝送装置の動作を説明するための
タイミングチャートである。 【図13】ΣΔ変調された1ビットオーディオ信号のス
ペクトル分析図である。 【符号の説明】 1 1ビットオーディオ信号伝送装置 3 ΣΔ変調部 4 位相変調部 6 切り換えスイッチ 8 伝送路 9 位相復調部(Dラッチ) 15 1ビットオーディオ信号伝送装置 16 位相変調部 17 シフトレジスタ
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 シグマデルタ変調により得られた1ビッ
ト信号を伝送部を介して伝送する信号伝送装置におい
て、 上記1ビット信号を位相変調する位相変調手段と、 上記伝送部を通した上記位相変調手段にて位相変調され
た1ビット信号をアナログ非巡回形フィルターを用いて
復調する位相復調手段とを備えることを特徴とする信号
伝送装置。
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