JP3820331B2 - DIGITAL / ANALOG CONVERSION DEVICE AND DESIGN METHOD FOR DIGITAL FILTER USED FOR THE DEVICE - Google Patents

DIGITAL / ANALOG CONVERSION DEVICE AND DESIGN METHOD FOR DIGITAL FILTER USED FOR THE DEVICE Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルオーディオ装置に用いられるデジタル/アナログ(以下「D/A」と略す)変換装置及び該装置に含まれるオーバサンプリング用のデジタルフィルタの設計方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンパクトディスク(CD)プレーヤを始めとするデジタルオーディオ再生装置では、PCMデジタル信号をアナログ信号に変換するためにD/A変換装置が利用されている。この種のD/A変換装置としては、いわゆるオーバーサンプリング型のD/A変換装置が主流となっている。
【0003】
オーバーサンプリングとは、D/A変換器の前段に設けたデジタルフィルタにより、本来のサンプリング周波数fs(例えばCDならば44.1kHz)に対応した間隔で離散的に得られるサンプル(デジタルデータ)の間に演算処理で求めたサンプルを挿入し(例えば2倍のオーバーサンプリングならば1個のサンプル)、見かけ上サンプリング周波数をnfs(n:整数)に上昇させるものである。このようなオーバーサンプリングを行うと、聴感上ノイズとなる折返し成分の周波数帯域が可聴周波数帯域(DC〜20kHz)よりも遙かに高い領域に移動するため、D/A変換したあとに低次のアナログフィルタで簡単にこの折返し成分を除去することができる。また、量子化ノイズは、周波数帯域がn倍に伸びた分だけレベルは1/nになり、その結果、可聴周波数帯域内のノイズパワーは1/nに減少するという利点もある。
【0004】
上述したようにデジタルフィルタによりサンプル補間を行う場合、種々の補間法が知られている。一般に知られているのはラグランジェ(Lagrange)の補間法と呼ばれるものであって、これはt+1個のサンプルを通るt次の多項式を求め、これに基づき補間値を得るものである。また、スプライン関数を利用した補間法を用いたデジタルフィルタも実用化されている。何れにしてもオーバーサンプリング型のD/A変換装置では、このデジタルフィルタの特性がD/A変換後のオーディオ信号の聴感上の特性を大きく左右することになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記サンプリング周波数fsは、通常、人間の可聴周波数帯域の上限が20kHz近辺であるという種々の実験結果等から、その約2倍の周波数に決められている。また、従来、上述したようなデジタルフィルタを設計する際には、同様の理由により、DC〜20kHzの周波数範囲でできるだけ平坦な周波数特性(通過帯域特性)が得られ、且つ20kHz以上では急峻に減衰する特性が得られるように次数や係数等のパラメータが決められる。しかしながら、一般に、急峻な減衰特性を得ようとすると通過帯域内のリップルが大きくなる傾向にある。また、時間応答ではギブス(Gibbs)現象として知られるリンギングが発生する傾向にあり、特に音の急峻な立ち上がり及び立ち下がり時に顕著に現れる。一般に、CD等のデジタルオーディオの音は「硬い」、「刺激が強い」或いは「冷たい」等と言われることが多いが、上述のような現象がその一因であるものと推察できる。
【0006】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、録音時又はPCM化時の原音にできるだけ忠実にデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に戻すことができ、特に聴感上、自然な音楽信号を得ることができるデジタル/アナログ変換装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのようなデジタル/アナログ変換装置を構成するデジタルフィルタを容易に設計することができるデジタルフィルタ設計方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るデジタル/アナログ変換装置に含まれるデジタルフィルタは、周波数特性等に着目して設計を行う従来の手法とは全く発想を異にする手法で設計されるものである。即ち、従来の手法では、標本化される連続時間信号は完全に帯域制限されていると仮定しているが、実際にはエリアシング(折返し)の影響が無視できない。そこで、より良い信号復元性を達成するには、デジタルオーディオ信号のサンプルを単に離散時間信号としてのみ捉えるのではなく、サンプル間応答に含まれるアナログ特性をも考慮した設計を行う必要がある。このようなことから、本発明者は連続時間特性を扱うことができるサンプル値制御理論、より詳しくはH制御をデジタルオーディオ信号を扱うD/A変換技術に導入する試みについて長年研究を続けてきた。
【0008】
その研究の過程で、本発明者らはH制御を用いてFIR型デジタルフィルタを設計する方法について明らかにしている(例えば「マルチレートD/A変換器のサンプル値H,H/H設計」(システム制御情報学会論文誌、Vol.11,No.10,pp585-592,1998)等を参照)。しかしながら、全周波数帯域において最適性を保証するために、次数を限定したFIR型デジタルフィルタを対象とするという制約があった。また、その制約のため、一般的なH制御の解法でなく、数理計画法の中の凸最適化問題の一つに帰着させて解く必要があるが、これが高次元であるため、H制御の解法を与える一般に入手可能なツールで容易に解くことが困難であった。これに対し、本発明者は、更なる研究の結果、次数の制限を設けず、またFIR型のみならず一般的なIIR型フィルタを対象とした最適設計問題が有限次元離散時間系の問題に帰着されること、更にそのサンプル値制御系の設計にFSFH(ファーストサンプル・ファーストホールド)の手法を導入することにより有効な近似最適化解法が得られるという知見を得るに至った。この手法によれば、FIR型デジタルフィルタに対象を限らないで、しかも一般に次数が少なくて済むIIR型デジタルフィルタを容易に設計することができる。また、フィルタの次数の制約等がない、一般的な形式での最適性が保証されると共に、特殊な解法を用いることなく一般的なH制御理論の解法が適用できる。そのため、一般に入手容易な種々のソフトウエア等を利用して設計を行うことができる。
【0009】
即ち、本発明に係るデジタル/アナログ変換装置は、記録媒体から読み取られた又は受信したデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換するD/A変換装置において、時系列的に隣接するサンプル間に新たにサンプリング点を補間してサンプリング周波数をn倍(nは2以上の整数)にするオーバサンプリングを行うデジタルフィルタを含み、該デジタルフィルタは、元のアナログ信号w を帯域制限したものとアナログ/デジタル/アナログ変換を通して得られるアナログ信号との誤差信号 ノルムの意味で設計基準値γよりも小さくするように、次数に制限を設けないIIR型フィルタを設計すべく設定した後述の (3) 式による条件式に対し、サンプル値H 制御理論を用い、ファーストサンプル−ファーストホールド近似を適用して有限次元離散時間系に変換して近似計算式を導出し、前記条件式において設計基準値γを最小又はそれに近い状態にするように設定した条件に基づいて前記近似計算式をH制御により解くことによって算出されたパラメータを係数とするIIR型フィルタにより成ることを特徴としている。
【0010】
また、本発明に係るデジタルフィルタの設計方法は、記録媒体から読み取られた又は受信したデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換するD/A変換装置において、時系列的に隣接するサンプル間に新たにサンプリング点を補間してサンプリング周波数をn倍(nは2以上の整数)にするオーバサンプリング処理を行うためのデジタルフィルタを設計する方法であって、元のアナログ信号w を帯域制限したものとアナログ/デジタル/アナログ変換を通して得られるアナログ信号との誤差信号 ノルムの意味で設計基準値γよりも小さくするように、次数に制限を設けないIIR型フィルタを設計すべく設定した後述の (3) 式による条件式に対し、サンプル値H 制御理論を用い、ファーストサンプル−ファーストホールド近似を適用して有限次元離散時間系に変換して近似計算式を導出し、前記条件式において設計基準値γを最小又はそれに近い状態にするように設定した条件に基づいて前記近似計算式をH制御により解くことによりIIR型フィルタの係数を算出するようにしたことを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明におけるデジタルフィルタの設計方法の原理を以下に説明する。即ち、以下の説明により、上記IIR型フィルタを設計すべく設定した条件式と、その条件式を有限次元離散時間系に近似的に変換する方法が明らかになる。
【0012】
(1)設計の命題の設定
図1は本発明に係るD/A変換器を含む信号復元系モデルを示すブロック図である。連続時間信号である入力wは、A/D変換部1に含まれるアンチエリアシングフィルタ2で帯域制限されたあと、サンプラ3においてサンプル周期hでサンプリングされ離散時間信号yとなる。オーバサンプリング型D/A変換部4では、まずこの離散時間信号yをアップサンプラ5によりサンプル周期h/Mの離散時間信号xに変換する。その際、次の(1)式のようにyに0信号が挿入される。
【数1】

Figure 0003820331
続いて、この信号xはK(z)で表現されるデジタルフィルタ6で処理されることにより上記挿入された0信号が適宜な値に修正され、周期h/Mで動作する0次ホールド7により連続時間信号uとなる。最後に、この信号uをアナログローパスフィルタ(LPF)8により平滑化し復元信号zを得る。
【0013】
オーディオ分野では、D/A変換部4における信号復元には時間遅延が許される。そこで、この時間遅れを考慮して信号復元の際の誤差系モデルを考えると、図2に示すようになる。図2では、下側の信号経路がサンプラ3及びD/A変換部4による信号処理系であり、上側の信号経路がその信号処理系による時間遅れを考慮した遅延系である。時間遅れ要素9は帯域制限信号yに上述した信号処理による時間遅れmhを与え、減算器10により復元信号zと遅延した帯域制限信号との誤差信号eを取り出す。この誤差信号eも連続時間信号であるから、次の(2)式のようにおく。
(t)=z(t)−y(t−mh) …(2)
【0014】
本発明では、この誤差信号eができる限り小さくなるようにIIR型デジタルフィルタを構成する。即ち、安定な連続時間フィルタ(アンチエリアシングフィルタ2及びアナログLPF8)と正の整数m、N、Mとが与えられている条件下で、IIR型デジタルフィルタを設計する。そのために、連続時間信号wから誤差信号eへ変換するシステムをTewとおいたとき、与えられたγに対し、次の(3)式を満たすようなK(z)を求める。
【数2】
Figure 0003820331
つまり、この(3)式が上述したIIR型フィルタを設計すべく設定した条件式である。ここでγは誤差の大きさを支配するものであり、小さいほどよい。H制御では、これを繰り返し計算によって最小化する方法が採られる。
【0015】
(2)単一レート系への変換
まず、図2に示したアップサンプラ及びむだ時間系を含む系(マルチレート系)を単一のサンプル周期の有限次元系(単一レート系)に変換する。そのためには、次の式(4)で定義される離散時間リフティングL及び逆リフティングL −1を導入する。
【数3】
Figure 0003820331
但し、↓Mはダウンサンプラであり次の(5)式で定義される。
【数4】
Figure 0003820331
【0016】
上記離散時間リフティング及び逆リフティングを用いてK(z)(↑M)、つまりアップサンプラ5とデジタルフィルタ6とによる処理を変換する。
【数5】
Figure 0003820331
ここで、K’(z)は1入力M出力の線形時不変(LTI:Linear Time-Invariant)システムであり、K(z)との関係は次の(7)式で与えられる。
【数6】
Figure 0003820331
【0017】
次に、(8)式で示される一般化ホールド〈H〉’を導入する。
【数7】
Figure 0003820331
【0018】
このとき次の等式(9)が成り立つ。
【数8】
Figure 0003820331
(6)式及び(9)式より、次の(10)式が成り立つ。
【数9】
Figure 0003820331
即ち、図2に示したマルチレート系のモデルは図3に示す単一レート系のモデルに等価的に変換される。
【0019】
続いて、連続時間むだ時間要素であるe−mhsを有限次元化するために、系の入力をmステップだけ遅らせるような変換を行う。これにより、所望の設計問題はK’(z)の代わりに因果的なフィルタz−mK’(z)を設計する問題に変換される。また、これを更に有限次元離散時間系の設計問題に帰着させることもできる。その手法の詳細は、カルゴネカー、山本:「ディレイド・シグナル・リコンストラクション・ユージング・サンプルド−データ・コントロール」、プロシーディングス・オブ・35ス・コンファレンス・オン・デシジョン・アンド・コントロール、1259頁〜1263頁(1996年)(P.P.Khargonekar and Y.Yamamoto:"Delayed signal reconstruction using sampled-data control"; Proc. of 35th Conf. on Decision and Control, pp.1259-1263(1996))に記載されている。但し、これには近似は入らないものの、後述するような強い制約条件が課せられており、その仮定は本デジタルフィルタの設計問題では余り満たされないことに注意しておく必要がある。従って、より実際的な離散時間問題への変換法が求められる。
【0020】
(3)離散時間系への変換
上記事情に鑑み、原問題が制約条件のない近似的な離散時間系設計問題に帰着できることを示す。そのために、ここではFSFH(ファーストサンプル・ファーストホールド)手法を適用する。FSFH手法はサンプル値制御系の性能を評価する一手法であって、h周期のサンプル値系の連続時間入出力をh/N(Nは自然数)周期で動作するサンプラとホールドによって離散化し、十分に大きなNに対する離散時間信号で連続時間信号を近似する方法である。なお、FSFH手法の詳細は、山本、マディエフスキ、アンダーソン:「コンピュテーション・アンド・コンバージェンス・オブ・フリクエンシ・レスポンス・ビア・ファスト・サンプリング・フォー・サンプルド−データ・コントロール・システムズ」、プロシーディングス・オブ・36ス・コンファレンス・オン・デシジョン・アンド・コントロール、2157頁〜2162頁(1997年)(Y.Yamamoto, A.G.Madievski and B.D.O.Anderson: "Computation and convergence of frequency response via fast sampling for sampled-data control systems"; Proc. of 36th Conf. on Decision and Control, pp.2157-2162(1997))に記載されている。
【0021】
設計のために図3を一般化プラント形式に描き直したものが図4である。この図4中に示したサンプル値系g は次の(11)式で定義される。
【数10】
Figure 0003820331
FSFH手法を用いれば、このサンプル値系gの近似離散時間系は次の(12)式で与えられる。但し、FSFHにおいてN=Ml(lは自然数)としている。
【数11】
Figure 0003820331
dN(z)の各行列及び作用素は次のように定義される。
【数12】
Figure 0003820331
【0022】
上記近似離散時間系GdNを用いて上記(3)式は(13)式で近似され、(3)式を満たすようなK(z)を求めるということは近似的に有限次元離散時間系の問題に帰着される。
【数13】
Figure 0003820331
但し、
【数14】
Figure 0003820331
である。即ち、図4は図5に示す有限次元離散時間系に変換されることになる。
【0023】
ここで注意すべきことは、条件‖D11‖<γの下で図4のサンプル値系とHノルム上界等価な離散時間系を計算する方法が従来提案されているが(藤岡、臼井、山本:「マルチレートフィルタバンクのサンプル値H∞設計−Mチャンネルの場合−」、第27回制御理論シンポジウム(1998年)参照)、ここでは通常のサンプル値H制御とは異なり、‖D11‖<γは(3)式において非常に強い制約となる。これが上述したようなFSFH近似を必要とする(また上記のカルゴネカー及び山本による文献に記載の、近似無しの離散時間系への変換手法を適用し難い)理由である。但し、
【数15】
Figure 0003820331
であり、(A,B,C)はアンチエリアシングフィルタ2のF(s)の実現である。
【0024】
而して、式(13)を求め、ごく一般的な離散時間H制御問題を解けば、所望のIIR型フィルタK(z)が得られることになる。なお、この発明によるデジタルフィルタの設計方法はコンピュータで所定のプログラムを実行することにより実現される。そのプログラムの一部は後述の如く既存のものを利用することができる。
【0025】
次に、この発明に係る上記手法に従った具体的なフィルタ設計の一例を説明する。
まず、図1に示す構成において、フィルタ2、8の特性F(s)、P(s)を決定する。ここでは、アンチエリアシングフィルタ2の特性を
F(s)=1/(0.70223s+1)(7.0223s+1)
とする。またサンプル周期は正規化しh=1とする。従って、ナイキスト周波数はπ[rad/sec]=0.5[Hz]となる。このフィルタの周波数特性を図6に示す。その特性は0.142[rad/sec]から1次特性で減衰し、更に1.42[rad/sec]から2次特性で減衰する。これをCDのサンプリング周波数fs=44.1kHzに換算すると、1kHzから1次特性で減衰し、更に10kHzから2次特性で減衰するフィルタに相当する。
【0026】
CDは約20kHzまでのオーディオ周波数帯域を有しているが、実際に収録されている音楽の周波数スペクトルはこの帯域内で平坦ではなく、高域において減衰している。実際、オーケストラなどの広帯域のソースで優秀録音と言われているものを観測しても、20kHzまでほぼ平坦に伸びているものは殆どなく、10kHz以上でなだらかに減衰する特性となっている。従って、上記のような特性のアンチエリアシングフィルタは、音楽信号の自然なエネルギー分布を反映したものと考えられる。即ち、従来のように完全に帯域制限された信号を原音楽信号のモデルとするのではなく、このような周波数分布に対する重み付けを反映してCDに対応するデジタルフィルタを設計するのが、より自然なアプローチであると言える。また計算を簡単化するために、ホールド後の信号平滑化のためのLPF8の特性はP(s)=1としている。実際には1次遅れ型LPFなどが適当であるが、この場合でも減衰特性が緩やかであるため殆ど周波数特性には影響を与えず、本例と類似した結果が得られる。
【0027】
上記条件の下で、アップサンプリング次数M=4(つまり4倍オーバーサンプリング)、FSFHによる近似のためのステップ数N=4、信号復元に許容する遅れのステップ数m=2としてデジタルフィルタの計算を行った。
まず、F(s)は次のような状態空間表現を持つ。
【数16】
Figure 0003820331
但し、ここで、
【数17】
Figure 0003820331
である。
【0028】
また、式(12-2)を用いて、
【数18】
Figure 0003820331
とし、これから、
【数19】
Figure 0003820331
が得られる。即ち、これが図4の誤差系の一般化プラントgに対応する式である。
【0029】
このようにしてA、Bc1等、全てのパラメータが得られるので、以降は式(12−1)によりGdN(z)を求める。この計算は、マトラブ(Matlab)等、既存のCADを利用して行うことができる。更に、図5に従って離散時間H制御を利用して解を求める。この計算も例えばMatlabのミューツールズ(μTools)やロバスト・コントロール・ツールボックス(Robust Control Toolbox)を利用して行うことができる。
【0030】
このようにして得られたIIR型デジタルフィルタの伝達関数KSD(z)は次式のようになる。
【数20】
Figure 0003820331
このデジタルフィルタのインパルス応答をn=32まで計算すると、次の(14)式のようになる。
【数21】
Figure 0003820331
【0031】
このフィルタの特性の計算結果を図7〜図12に示す。図7は利得の周波数特性、図8は位相の周波数特性、図9はインパルス応答、図10は方形波パルス応答、図11は正弦波応答(sin0.5t)、図12は正弦波応答(sin0.8t)である。このデジタルフィルタはIIR型ではあるものの、図9のインパルス応答を見ると25ステップ以降は実際上0となっており、これはn=25又は26で打ち切った25タップ程度のFIR型フィルタで実現可能であることを意味している。このことは、実際にハードウエアで構成する場合に非常に有利な性質である。また、本例のフィルタでは、方形波及び正弦波において良好な応答が得られていることがわかる。
【0032】
比較対象のため、従来のデジタルフィルタについても計算機による特性計算を行った。このフィルタはいわゆるジョンストンフィルタとして知られているものである。4倍のアップサンプリングに対するジョンストンフィルタは、2倍のアップサンプリングに対するジョンストンフィルタK(z)を用いて次式で計算できる。
J4(z)=K(z)K(z
ここで採用したジョンストンフィルタK(z)は16タップであり、4倍のアップサンプリングに対するジョンストンフィルタKJ4(z)は48タップになる。
【0033】
このジョンストンフィルタの特性の計算結果を図13〜図18に示す。図13は利得の周波数特性、図14は位相の周波数特性、図15はインパルス応答、図16は方形波パルス応答、図17は正弦波応答(sin0.5t)、図18は正弦波応答(sin0.8t)である。
【0034】
図10と図16とを比較するとわかるように、本発明によるデジタルフィルタでは立ち上がり及び立ち下がり時のリンギングがジョンストンフィルタよりも小さくなっている。また、図9と図15との比較でわかるように、インパルス応答でも本発明によるデジタルフィルタはリンギングが小さい。既述したように、このような相違は特に音の「硬さ」や「刺激の強さ」等に影響を与えるものと考えられる。また、図8に示すように、本発明によるデジタルフィルタの位相特性はナイキスト周波数π近傍までほぼ直線状(つまり群遅延が一定)になっており、オーディオ用としてきわめて好ましい特性であることがわかる。また、図11、図12と図17、図18の比較でわかる通り、ジョンストンフィルタでは大きな歪みを生じているのに対し本発明によるデジタルフィルタでは殆ど歪みが見られない。
【0035】
また、図19は、図2に示したような誤差信号eの利得の周波数数特性を上記実施例とジョンストンフィルタとについて示したグラフである。この誤差信号が小さいほど(図19中で下に位置しているほど)原音(厳密にはアンチエリアシングフィルタの出力)に忠実に再生されていると言うことができ、本発明によるデジタルフィルタを用いれば広い周波数帯域において再現音の忠実性が高いことがわかる。これは、本発明によるフィルタと従来のジョンストンフィルタとにおける上記の時間応答の差異を反映した結果になっている。
【0036】
以上はコンピュータによりソフトウエア的にフィルタを構成した場合の計算結果であるが、このフィルタをハードウエアで具現化する際には周知の構成とすればよい(例えば、三谷:「ディジタルフィルタデザイン」昭晃堂(1987年)等を参照)。実際に、汎用のデジタルシグナルプロセッサ(DSP)やワンチップのLSIで容易に構成することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係るデジタル/アナログ変換装置によれば、デジタル/アナログ変換によるアナログ信号の復元誤差が広い周波数帯域に亘って小さくなるように保証されているので、きわめて原音(集音又は録音時の音)に忠実なオーディオ信号を得ることができる。特に、聴感上きわめて滑らかで、高音がきわめて素直に伸びた再生音を得ることができる。
【0038】
また、本発明に係るデジタルフィルタの設計方法によれば、上述したような高い性能を有するデジタルフィルタを既存のツール等を用いて容易に設計することができると共に、フィルタの次数を少なくすることができるのでフィルタの構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るD/A変換器を含む信号復元系モデルを示すブロック図。
【図2】 図1の信号復元系モデルに対する誤差系モデルを示すブロック図。
【図3】 図2の誤差系モデルを単一レート系モデルに変換したときのブロック図。
【図4】 誤差系の一般プラント形式のブロック図。
【図5】 図4の形式を有限次元離散時間系に変換したときのブロック図。
【図6】 本発明の一実施例によるデジタルフィルタを設計する際のアンチエリアシングフィルタの周波数特性を示す図。
【図7】 本発明の一実施例によるIIR型デジタルフィルタの利得の周波数特性を示す図。
【図8】 このIIR型デジタルフィルタの位相の周波数特性を示す図。
【図9】 このIIR型デジタルフィルタのインパルス応答を示す図。
【図10】 このIIR型デジタルフィルタの方形波パルス応答を示す図。
【図11】 このIIR型デジタルフィルタの正弦波応答(sin0.5t)を示す図。
【図12】 このIIR型デジタルフィルタの正弦波応答(sin0.8t)を示す図。
【図13】 従来のジョンストンフィルタの利得の周波数特性を示す図。
【図14】 このジョンストンフィルタの位相の周波数特性を示す図。
【図15】 このジョンストンフィルタのインパルス応答を示す図。
【図16】 このジョンストンフィルタの方形波パルス応答を示す図。
【図17】 このジョンストンフィルタの正弦波応答(sin0.5t)を示す図。
【図18】 このジョンストンフィルタの正弦波応答(sin0.8t)を示す図。
【図19】 本発明によるIIR型デジタルフィルタと従来のジョンストンフィルタとの誤差信号eの利得の周波数数特性を示す図。
【符号の説明】
1…A/D変換部
2…アンチエリアシングフィルタ
3…サンプラ
4…オーバサンプリングD/A変換部
5…アップサンプラ
6…デジタルフィルタ
7…0次ホールド
8…アナログLPF
9…時間遅れ要素
10…減算器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a digital / analog (hereinafter abbreviated as “D / A”) conversion apparatus used in a digital audio apparatus and a method of designing a digital filter for oversampling included in the apparatus.
[0002]
[Prior art]
In a digital audio reproducing apparatus such as a compact disc (CD) player, a D / A converter is used to convert a PCM digital signal into an analog signal. As this type of D / A converter, a so-called oversampling D / A converter has become mainstream.
[0003]
Oversampling is the interval between samples (digital data) obtained discretely at intervals corresponding to the original sampling frequency fs (for example, 44.1 kHz for a CD) by a digital filter provided in front of the D / A converter. The sample obtained by the arithmetic processing is inserted into (for example, one sample if double oversampling), and the sampling frequency is apparently increased to nfs (n: integer). When such oversampling is performed, the frequency band of the aliasing component that causes noise in the sense of hearing moves to a region that is much higher than the audible frequency band (DC to 20 kHz). This aliasing component can be easily removed with an analog filter. Also, the quantization noise has an advantage that the level becomes 1 / n as much as the frequency band is increased n times, and as a result, the noise power in the audible frequency band is reduced to 1 / n.
[0004]
As described above, various interpolation methods are known when sample interpolation is performed using a digital filter. A generally known method is called a Lagrange interpolation method, which obtains a t-order polynomial passing through t + 1 samples and obtains an interpolation value based on this. A digital filter using an interpolation method using a spline function has also been put into practical use. In any case, in the oversampling D / A converter, the characteristics of the digital filter greatly affect the audible characteristics of the audio signal after D / A conversion.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the sampling frequency fs is usually determined to be about twice as high as the various experimental results that the upper limit of the human audible frequency band is around 20 kHz. Conventionally, when designing a digital filter as described above, for the same reason, a frequency characteristic (passband characteristic) as flat as possible in the frequency range of DC to 20 kHz can be obtained, and abruptly attenuated above 20 kHz. The parameters such as the order and the coefficient are determined so that the characteristics to be obtained can be obtained. However, in general, when a steep attenuation characteristic is obtained, the ripple in the passband tends to increase. Further, in the time response, ringing known as Gibbs phenomenon tends to occur, and it appears remarkably especially when the sound rises and falls sharply. In general, the sound of digital audio such as CD is often said to be “hard”, “strongly stimulated”, or “cold”, but it can be inferred that the above-mentioned phenomenon is one of the causes.
[0006]
The present invention has been made in view of such points, and the object of the present invention is to return a digital audio signal to an analog audio signal as faithfully as possible to the original sound at the time of recording or PCM conversion. An object of the present invention is to provide a digital / analog converter capable of obtaining a natural music signal in terms of audibility. Another object of the present invention is to provide a digital filter design method capable of easily designing a digital filter constituting such a digital / analog converter.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The digital filter included in the digital / analog conversion apparatus according to the present invention is designed by a method that is completely different from the conventional method that is designed by paying attention to frequency characteristics and the like. That is, in the conventional method, it is assumed that the continuous-time signal to be sampled is completely band-limited, but in reality, the influence of aliasing cannot be ignored. Therefore, in order to achieve better signal restoration, it is necessary to design not only the digital audio signal sample as a discrete-time signal but also an analog characteristic included in the inter-sample response. For this reason, the present inventor has continued research for many years on a sample value control theory capable of handling continuous-time characteristics, more specifically, an attempt to introduce H∞ control into a D / A conversion technique for handling digital audio signals. It was.
[0008]
In the course of that research, the present inventors have clarified a method for designing an FIR type digital filter using H control (for example, “sample values H , H 2 / H of a multirate D / A converter). design "(see Journal of the Institute of Systems, Control and Information Engineers, Vol. 11, No. 10, pp585-592, 1998). However, in order to guarantee the optimality in the entire frequency band, there is a restriction that an FIR type digital filter with a limited order is targeted. In addition, due to the limitation, it is necessary to solve by solving to one of the convex optimization problems in mathematical programming instead of the general H control solution, but since this is high-dimensional, H It was difficult to solve easily with a publicly available tool that gives a control solution. On the other hand, as a result of further research, the present inventor found that the optimal design problem for general IIR type filters as well as FIR type is not a problem of finite dimensional discrete time systems. As a result, we have obtained the knowledge that an effective approximate optimization solution can be obtained by introducing the FSFH (First Sample First Hold) method into the design of the sample value control system. According to this method, it is possible to easily design an IIR type digital filter that is not limited to the FIR type digital filter and generally requires only a small order. In addition, optimality in a general form without restriction on the order of the filter is guaranteed, and a general H control theory solution can be applied without using a special solution. Therefore, it is possible to design using various software that is generally easily available.
[0009]
That is, the digital / analog conversion device according to the present invention is a D / A conversion device that converts a digital audio signal read or received from a recording medium into an analog audio signal. n times the sampling frequency by interpolating the sampling points (n is an integer of 2 or more) a digital filter for oversampling to, the digital filter is obtained by band-limiting the original analog signal w c and analog / digital / error signal e c of the analog signal obtained through the analog conversion so as to be smaller than mean the design standard value of the H norm gamma, which will be described later is set in order to design an IIR filter an unlimited degree ( 3) to condition by an equation using the sample data H control theory, first sample - Fast ho Applying a field approximation is converted into a finite-dimensional discrete-time system to derive an approximate calculation formula, the approximate equation based on the design standard value γ to set conditions so as to minimize or near an in Conditional Expression It is characterized by comprising an IIR type filter whose coefficient is a parameter calculated by solving the above by H control.
[0010]
In addition, a digital filter design method according to the present invention provides a new method between time-sequentially adjacent samples in a D / A converter that converts a digital audio signal read or received from a recording medium into an analog audio signal. A method of designing a digital filter for performing an oversampling process for interpolating sampling points to increase the sampling frequency by n times (n is an integer of 2 or more), and band-limiting the original analog signal w c analog / digital / error signal e c of the analog signal obtained through the analog conversion so as to be smaller than the design reference value γ in the sense of H norm was set in order to design an IIR filter that is unlimited in order to condition by below equation (3), using sample data H control theory, first samples - Firth Is converted to finite-dimensional discrete-time system derives an approximation formula by applying a hold approximation, the approximate equation based on the design standard value γ to set conditions so as to minimize or near an in Conditional Expression It is characterized in that the coefficient of the IIR filter is calculated by solving the above by H control.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The principle of the digital filter design method in the present invention will be described below. That is, the following description makes clear the conditional expression set for designing the IIR filter and a method for approximately converting the conditional expression to a finite-dimensional discrete-time system.
[0012]
(1) Design Proposition Setting FIG. 1 is a block diagram showing a signal restoration system model including a D / A converter according to the present invention. Input w c is a continuous-time signal, after being band-limited by an anti-aliasing filter 2 included in the A / D converter 1, is sampled at the sampler 3 at sample period h a discrete-time signal y d. In oversampling type D / A converter 4, first, it converts the discrete-time signal y d by the up-sampler 5 into discrete-time signal x d sample period h / M. At this time, 0 signal y d is inserted as in the following equation (1).
[Expression 1]
Figure 0003820331
Subsequently, the signal xd is processed by the digital filter 6 expressed by K (z), so that the inserted 0 signal is corrected to an appropriate value, and the 0th-order hold 7 operating at the period h / M. continuous time the signal u c by. Finally, to obtain a smoothed restored signal z c The signal u c by an analog low-pass filter (LPF) 8.
[0013]
In the audio field, a time delay is allowed for signal restoration in the D / A converter 4. Therefore, when an error system model for signal restoration is considered in consideration of this time delay, it is as shown in FIG. In FIG. 2, the lower signal path is a signal processing system by the sampler 3 and the D / A converter 4, and the upper signal path is a delay system in consideration of a time delay due to the signal processing system. The time delay element 9 gives the band limit signal y c the time delay mh due to the signal processing described above, and the subtractor 10 extracts the error signal e c between the restored signal z c and the delayed band limit signal. Since this error signal e c is also a continuous time signal, put as the following equation (2).
e c (t) = z c (t) −y c (t−mh) (2)
[0014]
In the present invention, constitute an IIR type digital filter to be as small as possible is the error signal e c. That is, the IIR digital filter is designed under the condition that a stable continuous-time filter (anti-aliasing filter 2 and analog LPF 8) and positive integers m, N, and M are given. Therefore, when a system for converting the continuous time signal w c to the error signal e c is set as T ew , K (z) satisfying the following expression (3) is obtained for a given γ.
[Expression 2]
Figure 0003820331
That is, this equation (3) is a conditional equation set to design the IIR filter described above. Here, γ dominates the magnitude of the error, and the smaller the better. In H∞ control, a method of minimizing this by repeated calculation is employed.
[0015]
(2) Conversion to a single rate system First, the system including the upsampler and time delay system (multirate system) shown in FIG. 2 is converted to a finite dimension system (single rate system) having a single sample period. . For this purpose, discrete time lifting L M and inverse lifting L M −1 defined by the following equation (4) are introduced.
[Equation 3]
Figure 0003820331
However, ↓ M is a down sampler and is defined by the following equation (5).
[Expression 4]
Figure 0003820331
[0016]
The discrete time lifting and inverse lifting are used to convert K (z) (↑ M), that is, processing by the upsampler 5 and the digital filter 6.
[Equation 5]
Figure 0003820331
Here, K ′ (z) is a 1-input M-output linear time-invariant (LTI) system, and the relationship with K (z) is given by the following equation (7).
[Formula 6]
Figure 0003820331
[0017]
Next, a generalized hold <H h > ′ represented by the equation (8) is introduced.
[Expression 7]
Figure 0003820331
[0018]
At this time, the following equation (9) holds.
[Equation 8]
Figure 0003820331
From the equations (6) and (9), the following equation (10) is established.
[Equation 9]
Figure 0003820331
That is, the multi-rate model shown in FIG. 2 is equivalently converted to the single-rate model shown in FIG.
[0019]
Subsequently, in order to make e- mhs which is a continuous time dead time element into a finite dimension, a conversion is performed so as to delay the input of the system by m steps. This translates the desired design problem into a problem of designing a causal filter z −m K ′ (z) instead of K ′ (z). This can be further reduced to a design problem of a finite-dimensional discrete-time system. For details of the method, see Carnecar, Yamamoto: “Delayed Signal Reconstruction Using Sampled Data Control”, Proceedings of 35th Conference on Decision and Control, pages 1259 to 1263. (1996) (PPKhargonekar and Y. Yamamoto: “Delayed signal reconstruction using sampled-data control”; Proc. Of 35th Conf. On Decision and Control, pp. 1259-1263 (1996)). However, although this is not approximated, it must be noted that the following severe constraints are imposed and the assumption is not satisfied by the design problem of this digital filter. Therefore, a more practical conversion method to a discrete time problem is required.
[0020]
(3) Conversion to discrete time system In view of the above circumstances, the original problem can be reduced to an approximate discrete time system design problem without constraints. For this purpose, the FSFH (First Sample First Hold) method is applied here. The FSFH method is a method for evaluating the performance of the sample value control system, and the continuous time input / output of the sample value system of h period is discretized by a sampler and hold that operates at a period of h / N (N is a natural number). This is a method of approximating a continuous-time signal with a discrete-time signal for a large N. For details of the FSFH method, see Yamamoto, Madievski, Anderson: "Computation and Convergence of Frequency Response Beer Fast Sampling for Sampled-Data Control Systems", Proceedings of 36th Conference on Decision and Control, pages 2157 to 2162 (1997) (Y. Yamamoto, AGMadievski and BDOAnderson: "Computation and convergence of frequency response via fast sampling for sampled-data control systems"; Proc. Of 36th Conf. On Decision and Control, pp. 2157-2162 (1997)).
[0021]
FIG. 4 is a redraw of FIG. 3 into a generalized plant format for design purposes. The sample value system g s shown in FIG. 4 is defined by the following equation (11).
[Expression 10]
Figure 0003820331
If the FSFH method is used, the approximate discrete time system of this sample value system g s is given by the following equation (12). However, N = Ml (l is a natural number) in FSFH.
[Expression 11]
Figure 0003820331
Each matrix and operator of G dN (z) is defined as follows.
[Expression 12]
Figure 0003820331
[0022]
The above equation (3) is approximated by equation (13) using the above approximate discrete time system GdN, and obtaining K (z) that satisfies equation (3) is approximately that of a finite-dimensional discrete time system. The problem is reduced.
[Formula 13]
Figure 0003820331
However,
[Expression 14]
Figure 0003820331
It is. That is, FIG. 4 is converted into the finite-dimensional discrete time system shown in FIG.
[0023]
It should be noted here that a method for calculating a discrete time system equivalent to the sample value system of FIG. 4 and the H norm upper bound under the condition ‖D 11 ‖ <γ has been proposed (Fujioka, Usui). Yamamoto: “Multi-rate filter bank sample value H∞ design-M channel case”, 27th Control Theory Symposium (1998)), here, unlike normal sample value H∞ control, 制 御 D 11 ‖ <γ is a very strong constraint in equation (3). This is the reason why the FSFH approximation as described above is required (and it is difficult to apply the conversion method to the discrete time system without approximation described in the above-mentioned papers by Cargo Necker and Yamamoto). However,
[Expression 15]
Figure 0003820331
(A F , B F , C F ) is an implementation of F (s) of the anti-aliasing filter 2.
[0024]
Thus, the desired IIR filter K (z) can be obtained by obtaining Equation (13) and solving a very general discrete-time H∞ control problem. The digital filter design method according to the present invention is realized by executing a predetermined program on a computer. Some of the programs can use existing programs as will be described later.
[0025]
Next, an example of a specific filter design according to the above method according to the present invention will be described.
First, in the configuration shown in FIG. 1, the characteristics F (s) and P (s) of the filters 2 and 8 are determined. Here, the characteristic of the anti-aliasing filter 2 is F (s) = 1 / (0.70223s + 1) (7.0223s + 1).
And The sample period is normalized and h = 1. Therefore, the Nyquist frequency is π [rad / sec] = 0.5 [Hz]. The frequency characteristics of this filter are shown in FIG. The characteristic is attenuated by a primary characteristic from 0.142 [rad / sec], and further attenuated by a secondary characteristic from 1.42 [rad / sec]. When this is converted to a sampling frequency fs of CD = 44.1 kHz, it corresponds to a filter that attenuates from 1 kHz with a primary characteristic and further attenuates from 10 kHz with a secondary characteristic.
[0026]
The CD has an audio frequency band up to about 20 kHz, but the frequency spectrum of the music actually recorded is not flat within this band but is attenuated in the high frequency range. In fact, even if a wide-band source such as an orchestra, which is said to be excellent recording, hardly has an almost flat extension up to 20 kHz, it has a characteristic that it gently attenuates above 10 kHz. Therefore, the anti-aliasing filter having the above characteristics is considered to reflect the natural energy distribution of the music signal. That is, it is more natural to design a digital filter corresponding to the CD reflecting the weighting for such a frequency distribution, instead of using a completely band-limited signal as a model of the original music signal as in the prior art. It can be said that this is an approach. In order to simplify the calculation, the characteristic of the LPF 8 for smoothing the signal after the hold is P (s) = 1. In practice, a first-order lag type LPF or the like is suitable, but even in this case, the attenuation characteristic is moderate, so that the frequency characteristic is hardly affected and a result similar to this example is obtained.
[0027]
Under the above conditions, the digital filter is calculated with the upsampling order M = 4 (that is, four times oversampling), the step number N = 4 for approximation by FSFH, and the delay step number m = 2 allowed for signal restoration. went.
First, F (s) has the following state space expression.
[Expression 16]
Figure 0003820331
Where
[Expression 17]
Figure 0003820331
It is.
[0028]
Also, using equation (12-2)
[Formula 18]
Figure 0003820331
And from now on
[Equation 19]
Figure 0003820331
Is obtained. That is, this is an expression corresponding to the generalized plant g s of the error system in Fig.
[0029]
Since all parameters such as A c and B c1 are obtained in this way, G dN (z) is obtained from the following equation (12-1). This calculation can be performed using existing CAD such as Matlab. Furthermore, a solution is obtained using discrete time H∞ control according to FIG. This calculation can also be performed using, for example, Matlab's MuTools or Robust Control Toolbox.
[0030]
The transfer function K SD (z) of the IIR type digital filter obtained in this way is expressed by the following equation.
[Expression 20]
Figure 0003820331
When the impulse response of this digital filter is calculated up to n = 32, the following equation (14) is obtained.
[Expression 21]
Figure 0003820331
[0031]
The calculation results of the characteristics of this filter are shown in FIGS. 7 is a frequency characteristic of gain, FIG. 8 is a frequency characteristic of phase, FIG. 9 is an impulse response, FIG. 10 is a square wave pulse response, FIG. 11 is a sine wave response (sin 0.5 t), and FIG. .8t). Although this digital filter is an IIR type, the impulse response in FIG. 9 is actually 0 after the 25th step, which can be realized by an FIR type filter of about 25 taps cut off by n = 25 or 26. It means that. This is a very advantageous property when actually configured by hardware. In addition, it can be seen that the filter of this example has a good response in a square wave and a sine wave.
[0032]
For comparison, the characteristics of a conventional digital filter were also calculated by a computer. This filter is known as a so-called Johnston filter. The Johnston filter for 4 times upsampling can be calculated using the Johnston filter K J (z) for 2 times upsampling:
K J4 (z) = K J (z) K J (z 2 )
The Johnston filter K J (z) employed here has 16 taps, and the Johnston filter K J4 (z) for upsampling 4 times has 48 taps.
[0033]
The calculation results of the characteristics of this Johnston filter are shown in FIGS. 13 is a gain frequency characteristic, FIG. 14 is a phase frequency characteristic, FIG. 15 is an impulse response, FIG. 16 is a square wave pulse response, FIG. 17 is a sine wave response (sin 0.5 t), and FIG. .8t).
[0034]
As can be seen from a comparison between FIGS. 10 and 16, the digital filter according to the present invention has a smaller ringing at the rising and falling times than the Johnston filter. Further, as can be seen from a comparison between FIG. 9 and FIG. 15, the digital filter according to the present invention has small ringing even in the impulse response. As described above, such a difference is considered to particularly affect the “hardness” and “stimulus strength” of sound. Further, as shown in FIG. 8, the phase characteristic of the digital filter according to the present invention is substantially linear (that is, the group delay is constant) up to the vicinity of the Nyquist frequency π. As can be seen from a comparison between FIGS. 11 and 12 and FIGS. 17 and 18, the Johnston filter produces a large distortion, whereas the digital filter according to the present invention hardly shows any distortion.
[0035]
Further, FIG. 19, the number of frequency characteristics of the gain of the error signal e c as shown in FIG. 2 is a graph showing the the above Examples and Johnston filter. It can be said that the smaller this error signal (the lower the position in FIG. 19), the more faithfully reproduced it is with the original sound (strictly speaking, the output of the anti-aliasing filter). If used, it can be seen that the fidelity of the reproduced sound is high in a wide frequency band. This reflects the difference in time response between the filter according to the present invention and the conventional Johnston filter.
[0036]
The above is the calculation result when the filter is configured by software by a computer. When this filter is implemented by hardware, a known configuration may be used (for example, Mitani: “Digital Filter Design”) (See Tsujido (1987)). Actually, it can be easily configured with a general-purpose digital signal processor (DSP) or a one-chip LSI.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the digital / analog conversion device according to the present invention, the restoration error of the analog signal by the digital / analog conversion is guaranteed to be reduced over a wide frequency band. Or an audio signal faithful to the sound at the time of recording). In particular, it is possible to obtain a playback sound that is very smooth in terms of hearing and whose treble is very straightforward.
[0038]
Moreover, according to the digital filter design method of the present invention, it is possible to easily design a digital filter having high performance as described above using an existing tool or the like, and to reduce the order of the filter. This makes it easy to configure the filter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a signal restoration system model including a D / A converter according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an error system model for the signal restoration system model of FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram when the error system model of FIG. 2 is converted into a single rate system model.
FIG. 4 is a block diagram of a general plant format of an error system.
FIG. 5 is a block diagram when the format of FIG. 4 is converted into a finite-dimensional discrete-time system.
FIG. 6 is a diagram showing frequency characteristics of an anti-aliasing filter when designing a digital filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing frequency characteristics of gain of an IIR digital filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the frequency characteristics of the phase of this IIR type digital filter.
FIG. 9 is a view showing an impulse response of this IIR type digital filter.
FIG. 10 is a diagram illustrating a square wave pulse response of the IIR type digital filter.
FIG. 11 is a diagram showing a sine wave response (sin 0.5 t) of the IIR type digital filter.
FIG. 12 is a diagram showing a sine wave response (sin 0.8 t) of this IIR type digital filter.
FIG. 13 is a diagram showing frequency characteristics of gain of a conventional Johnston filter.
FIG. 14 is a diagram showing the frequency characteristics of the phase of this Johnston filter.
FIG. 15 is a diagram showing an impulse response of the Johnston filter.
FIG. 16 is a diagram showing a square wave pulse response of the Johnston filter.
FIG. 17 is a diagram showing a sine wave response (sin 0.5 t) of the Johnston filter.
FIG. 18 is a diagram showing a sine wave response (sin 0.8t) of the Johnston filter.
Shows a number of frequency characteristics of the gain of the error signal e c with IIR type digital filter and conventional Johnston filter according 19 this invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... A / D conversion part 2 ... Anti-aliasing filter 3 ... Sampler 4 ... Oversampling D / A conversion part 5 ... Up sampler 6 ... Digital filter 7 ... 0th-order hold 8 ... Analog LPF
9 ... Time delay element 10 ... Subtractor

Claims (2)

記録媒体から読み取られた又は受信したデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換するD/A変換装置において、時系列的に隣接するサンプル間に新たにサンプリング点を補間してサンプリング周波数をn倍(nは2以上の整数)にするオーバサンプリングを行うデジタルフィルタを含み、該デジタルフィルタは、元のアナログ信号w を帯域制限したものとアナログ/デジタル/アナログ変換を通して得られるアナログ信号との誤差信号 ノルムの意味で設計基準値γよりも小さくするように、次数に制限を設けないIIR型フィルタを設計すべく設定した次の条件式
Figure 0003820331
但し、T ew はアナログ信号w から誤差信号e へ変換するシステムの伝達関数に対し、サンプル値H 制御理論を用い、ファーストサンプル−ファーストホールド近似を適用して有限次元離散時間系に変換して近似計算式を導出し、前記条件式において設計基準値γを最小又はそれに近い状態にするように設定した条件に基づいて前記近似計算式をH制御により解くことによって算出されたパラメータを係数とするIIR型フィルタにより成る、ことを特徴とするデジタル/アナログ変換装置。
In a D / A converter that converts a digital audio signal read from or received from a recording medium into an analog audio signal, a sampling point is newly interpolated between adjacent samples in time series to increase the sampling frequency by n times (n Is a digital filter that performs oversampling to an integer of 2 or more), and the digital filter is an error signal e between the band-limited original analog signal w c and the analog signal obtained through analog / digital / analog conversion. The following conditional expression set to design an IIR filter that does not limit the order so that c is smaller than the design reference value γ in the sense of H norm
Figure 0003820331
However, T ew is converted to a finite-dimensional discrete-time system by applying the first sample-first hold approximation to the transfer function of the system that converts the analog signal w c to the error signal e c using the sample value H control theory. Then, an approximate calculation formula is derived, and parameters calculated by solving the approximate calculation formula by H control based on conditions set so that the design reference value γ is minimized or close to the condition formula in the conditional formula A digital / analog converter comprising an IIR type filter as a coefficient .
記録媒体から読み取られた又は受信したデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換するD/A変換装置において、時系列的に隣接するサンプル間に新たにサンプリング点を補間してサンプリング周波数をn倍(nは2以上の整数)にするオーバサンプリング処理を行うためのデジタルフィルタを設計する方法であって、元のアナログ信号w を帯域制限したものとアナログ/デジタル/アナログ変換を通して得られるアナログ信号との誤差信号 ノルムの意味で設計基準値γよりも小さくするように、次数に制限を設けないIIR型フィルタを設計すべく設定した次の条件式
Figure 0003820331
但し、T ew はアナログ信号w から誤差信号e へ変換するシステムの伝達関数に対し、サンプル値H 制御理論を用い、ファーストサンプル−ファーストホールド近似を適用して有限次元離散時間系に変換して近似計算式を導出し、前記条件式において設計基準値γを最小又はそれに近い状態にするように設定した条件に基づいて前記近似計算式をH制御により解くことによりIIR型フィルタの係数を算出するようにしたことを特徴とするデジタルフィルタの設計方法。
In a D / A converter that converts a digital audio signal read from or received from a recording medium into an analog audio signal, a sampling point is newly interpolated between adjacent samples in time series to increase the sampling frequency by n times (n It is a method of designing a digital filter for performing oversampling to an integer of 2 or more), which has been band-limited the original analog signal w c and the analog signal obtained through an analog / digital / analog converter the error signal e c to less than mean the design standard value of the H norm gamma, following condition set in order to design an IIR filter that is unlimited in order
Figure 0003820331
However, T ew is converted to a finite-dimensional discrete-time system by applying the first sample-first hold approximation to the transfer function of the system that converts the analog signal w c to the error signal e c using the sample value H control theory. Then, an approximate calculation formula is derived, and the coefficient of the IIR filter is solved by solving the approximate calculation formula by H control based on the condition set so that the design reference value γ is minimized or close to the condition formula. A method of designing a digital filter, wherein
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