JPH02281811A - ディジタルフィルタ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、乗算器、加算器等を用いることにより、信号
データに対してディジタルフィルタ処理をするディジタ
ルフィルタ処理装置に関するものである。

【従来の技術】

第２図に、従来のディジタルフィルタ処理装置を示す、
これは、５個のタップを持つ１次元ディジタルフィルタ
処理装置を例にとって示したものである。このような装
置は、しばしば、ＬＳＩ化（ＬＳＩ・・・大規模集積回
路装置）されている。 第２図ににおいて、１−１から１−４は遅延回路、２−
１から２−５は係数レジスタ、３−１から３−５は乗算
器、４は加算器、５はＣＰＵインターフエース（ＣＰＵ
・・・中央演算処理装置）、６は入力端子、７は出力端
子である。 入力端子６より入力された信号データは、クロッ信号（
図示せず）に同期しつつ、遅延回路１−１から１−４へ
と、順次遅延されて送られる。同時に、乗算器３−１か
ら３−５のうちの対応する乗算器へも送られる０例えば
、遅延回路１−１の出力は、遅延回路１−２へ送られる
と同時に、対応する乗算器であるところの乗算器３−２
へも送られる。 従って、成る信号データが入力端子６に人力された時、
４クロツク前に入力された信号データが遅延回路１−４
から出力される。そして、その時には、４クロツク前ま
でに入力されたところの合計５つの信号データが、−斉
に乗算器１１〜３−５に入力される。 係数レジスタ２−１〜２−５には、ディジタルフィルタ
処理のために乗ずべき係数データを、格納しておく。係
数データは、例えば、ＣＰＵからＣＰＵインターフェー
ス５を経て与えるようにすることか出来る。各係数デー
タは、図示するように対応する乗算器に送られ、信号デ
ータに乗ぜられる。 乗算器３−１〜３−５の乗算結果は、加算器４にて加算
される。加算器４の出力がフィルタ出力として出力端子
７より取り出される。 遅延回路１−１−１−４が設けられているのは、加算器
４で加算を行うに際し、５つの信号データに関する乗算
結果が、同じタイミングで加算器４に入力されるように
するためである。同じタイミングで入力されて来ないと
、加算することが出来ない。 なお、ディジタルフィルタ処理装置に関する文献として
は、例えば、「ビデオ用高速ＣＭＯＳディジタルフィル
タＬＳＩＪ　　（国分秀樹外５名、電気通信学会研究報
告書、５ＳＤ８６−４４）がある。

【発明が解決しようとする課題】

（問題点） 前記した従来技術には、次のような問題点があった。 第１の問題点は、係数レジスタに設定される係数データ
の量子化誤差（後で説明する）が大きく、それがフィル
タ演算処理過程において増幅、累積され、フィルタ出力
の誤差も大きくなってしまうという点である。 第２の問題点は、フィルタ出力の小数点位置が、係数デ
ータの小数点位置に応じて固定的に定まってしまうため
、フィルタ出力のダイナミックレンジ（表現可能な数値
の範囲）も、それによって決められてしまうという点で
ある。 （問題点の説明） （１）先ず、第１の問題点について説明する。 理想的なフィルタ処理をするために必要とされる係数デ
ータの値を表そうとすると、無限長のビットを要する。 しかし、係数データを格納する係数レジスタ２−１等は
、同じ長さの所定のビット（固定長ビット）シカζ有し
ていない、従って、係数データを格納するに当たっては
、無限長ビットのうち、最上位ビットから数えて該固定
長ビット分だけを切り取った形にせざるを得ない、この
ようにすることが、係数データの量子化である。 量子化された結果、該固定長ビット目より下位にあるビ
ットで表されていた値は、切り捨てられてしまう、切り
捨てられた値は、係数データが前記のようにして格納さ
れたことにより生ずる誤差（即ち、係数データの量子化
による誤差）ということになる。 具体例を上げて説明する。 第３図は、係数レジスタへの係数データの設定の仕方を
説明する図である。 第３図（イ）は、設定したい係数データの値を示してい
る。係数データＡ１は係数レジスタ２１に設定したい値
であり、係数データＡｔは係数レジスタ２−２に設定し
たい値である。係数データＡ１は小数点以下８ビツトま
で、係数データＡ８は小数点以下ｌｌビットまでしか書
いてはないが、その後に０が無限に続くと考えることも
出来一方、係数データを格納する係数レジスタ２−１等
のビットが８ビツトとされていると、格納されるのは、
第３図（ロ）の実線で囲まれたビットとなる。即ち、小
数点以下第１位のビットから格納すると、係数データＡ
１は（イ）に記したビットが全て格納されるが、係数デ
ータＡ！の方は、小数点以下第９〜１１ビツトのｒｌ　
ｌ　ＩＪは、切り捨てられる。これが、誤差となる。 この誤差は、乗算器３−１での乗算により増幅され、加
算器４での加算により、他の乗算器から出て来た誤差に
累積される。そのため、出力端子７より得られるフィル
タ出力は、誤差を含むものとなる。 （２）次に、第２の問題点について説明する。 入力される信号データが整数値であるとすれば、乗算器
３−１の出力である乗算結果の少数点位置は、係数レジ
スタ２−１に格納されている係数データの小数点位置に
対応して決まる。他の乗算器における乗算結果について
も、同様である。 即ち、係数データの小数点位置が最下位ビットより数え
てＮビット目の左であるとすると、乗算結果の小数点位
置も最下位ビットより数えてＮビット目の左になる。 加算器４では、上記のようにして小数点位置が決められ
たちの同士を加算するから、その結果得られるフィルタ
出力の小数点位置も、自ずと係数データの小数点位置に
よって固定的に決められたものとなる。 このことは、フィルタ出力の値として、どの位の大きさ
の値まで表すことが出来るかという、いわゆるダイナミ
ックレンジが、係数データの小数点位置によって自ずと
決められてしまうということを意味している。 具体例を上げて説明する。 第５図は、小数点位置によりダイナミックレンジが異な
ることを説明するための図である。図中の４角形の１つ
１つは、１つのビットを表している。第５図では、フィ
ルタ出力として１０ビツトの値が得られるものと仮定し
ている。 第５図（イ）は最下位ビットより４ビツト目の左に小数
点位置がある場合を示し、第５図（ロ）は最下位ビット
より６ビツト目の左に小数点位置がある場合を示してい
る。２つの場合を比較すると、（イ）の場合は小数点よ
り上位に６ビツトあるのに対し、（ロ）の場合は小数点
より上位に４ビツトしかないから、表せる数値は、（イ
）の方が小さい、即ち、（イ）の方が、ダイナミックレ
ンジが狭い。 フィルタの周波数帯域や使用する係数データの値によっ
ては、所望されるダイナミックレンジが異なるが、従来
は、前記の如く係数データの小数点位置によってダイナ
ミックレンジが決められてしまうので、所望のダイナミ
ックレンジが得られない場合があった。 本発明は、以上のような問題点を解決することを課題と
するものである。

【課題を解決するための手段】

前記課題を解決するため、本発明では、信号データと係
数データとを乗する乗算器を複数個と、各乗算器より得
られた乗算結果を加算する加算器とを少なくとも具えた
ディジタルフィルタ処理装置において、最初の有効桁が
先頭になるよう係数データの桁をシフトして格納する係
数レジスタと、該係数レジスタに対応して設けられ且つ
前記シフトの世と同じシフト量を設定するシフト量レジ
スタと、前記乗算器の出力の桁を該シフト量レジスタに
設定されたシフト量だけ前記シフトとは逆方向にシフト
するバレルシフタとを有せしめることとした。 また、第２のシフト量が設定される第２のシフト量レジ
スタと、加算器の出力の桁を該第２のシフト量だけシフ
トする第２のバレルシフタとを、更に有せしめることも
出来る。

【作　用】

前記のように構成されたディジタルフィルタ処理装置は
、次のような作用をする。 係数レジスタには、最初の有効桁が先頭になるよう係数
データの桁をシフトして格納するので、有効桁でない桁
を格納して係数レジスタのビットを無駄に費やすことが
なくなると共に、有効桁がより多く格納されることにな
る。そのため、この係数データを用いて行う乗算の精度
を、従来より向上させることが可能となる。即ち、係数
データの量子化誤差の影響を小さくする作用をする。 シフト蓋レジスタとバレルシフタとは、乗算器の乗算結
果を、係数レジスタに係数データを設定する際に行われ
たシフト分だけシフトし戻し、乗算結果を正しい値にす
る作用をする。 また、第２のシフト量レジスタと第２のバレルシフタと
を更に設け、シフトしたい加算結果の桁数を第２のシフ
ト量レジスタに設定し、第２のバレルシフタでその桁数
だけのシフトを実行することにより、加算結果のダイナ
ミックレンジを変えることが出来る。加算結果がフィル
タ出力とされるから、結局、フィルタ出力のダイナミッ
クレンジを、任意に変え得るという作用をすることにな
る。 ディジクルフィルタ処理に使用する係数データの値や、
ディジタルフィルタ処理をする周波数帯域によっては、
フィルタ出力として異なるダイナミックレンジが要求さ
れるが、その要求に対応することが可能となる。

【実施例】

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。 第１図に、本発明の実施例にかかわるディジタルフィル
タ処理装置を示す、これは、第２図と同様、５個のタッ
プを持つ１次元ディジタルフィルタ処理装置の場合を例
に取ったものである。符号は、第２図のものに対応して
いる。そして、８−１から８−５はシフト量レジスタ、
９−１から９−５はバレルシフタ、１０はシフト量レジ
スタ、１１はバレルシフタ、１２は丸め処理回路である
。 （Ａ）全体の動作概要 人力端子６から人力された信号データは、遅延回路１−
１−１−４により、順次遅延される。入力端子６から人
力された信号データおよび遅延回路１−１〜１−４の出
力は、それぞれ乗算器３−１〜３−５において、係数レ
ジスタ２−１〜２−５に設定された係数データと乗ぜら
れる。 係数データは、外部ＣＰＵからＣＰＵインターフェース
５を経て設定されるが、その際、最初の有効桁以降を設
定する０例えば、係数レジスタに小数点以下第１ビツト
目から格納しようとしている場合、小数点以下３ビツト
目に最初の有効桁が現れる係数データは、上位方向へ２
ビツトシフトした形で設定される。 乗算器３−１〜３−５の出力は、それぞれ対応して設け
られているバレルシフタ９−１〜９−５において、これ
また対応して設けられているシフト量レジスタ８−１〜
８−５に設定されたビット数だけシフトされる。ここで
のシフトは、係数データを設定する際に行われたシフト
（先の例で言えば、上位方向への２ビツトのシフト）と
は逆方向に、同じ量だけ行われる。つまり１、元へシフ
トし戻すためのものである。 シフト量レジスタ８−１〜８−５に設定するビット数は
、外部ＣＰＵからＣＰＵインターフェース５を経て与え
られる。 バレルシフタ９−１〜９−５の出力は、加算器４におい
て加算される。加算器４の出力は、バレルシフタ１１に
おいて、シフト量レジスタＩＯに設定されたビット数だ
けシフトされる。ここでのシフトは、加算出力全体をシ
フトして小数点を所望の位置に移動するためのシフトで
ある。言い換えれば、ダイナミックレンジを所望のもの
にするために行われる。 シフト量レジスタＩＯに設定するビット数も、外部ＣＰ
ＵよりＣＰＵインターフェイス５を通して与えられる。 バレルシフタ１１の出力は、丸め処理回路１２において
、所定のビット（例えば、小数点以下第１位のビット）
が丸め処理される。この処理を施されたものが、フィル
タ出力として出力端子７より出力される。 以上が動作の概要である。以下に詳細を述べる。 （Ｂ）係数レジスタへの係数データの設定従来の技術の
項で述べたように、係数レジスタは固定長ビットとなっ
ており、そこには、本来乗じたい係数データの値の内、
該固定長ビット分しか設定出来ない。 係数レジスタに設定される係数データを、出来るだけ多
くの有効桁が含まれるように設定すると、乗算器での乗
算結果の精度を高めることが出来る。 そこで、本発明では、係数レジスタに格納するのは、係
数データの本来の値の内、最初の有効桁からとした。 その設定の仕方を、第３図によって具体的に説明する。 第３図（イ）の係数データＡ１は係数レジスタ２−１に
設定すべき係数データであり、係数データＡ２は係数レ
ジスタ２−２に設定すべき係数データであるとする。係
数データＡ１は小数点以下８ビツトで表される値として
与えられ、係数データＡ：は小数点以下１１ビツトで表
される値として与えられている。 一方、係数レジスタのビット数が、与えられた係数デー
タの全てのビットを収容できるものであればよいが、常
にそうとは限らずビット数が足りない場合がある。今仮
に、各係数レジスタのビット数は８であるとする。 第３図（ロ）は、８ビツトの、係数レジスタに係数デー
タを格納する様子を示すものである。 係数データＡ、の場合は、小数点以下第１ビツトから有
効桁（ｒｌ」）が現れ、全部で８ビツトであるから、本
発明では、実線で囲んだように、小数点以下第１ビツト
から８ビツトまでが格納される。係数データＡ１につい
、では、結果的には従来と同じ値が格納される。 一方、係数データＡ□の場合、有効桁が現れるのは、小
数点以下第４ビツト目からである。従って、そこから数
えて８ビツト分、即ち、点線で囲んだように、小数点以
下第４ビツトから１１ビツトまでが格納される。 第３図（ハ）は、そのようにして係数レジスタ２−１．
２−２に格納された状態を示している。 なお、最初の有効桁から８ビツト分の値を設定するに当
たり、次の９ビツト目を丸め処理した値を設定すると、
係数データの精度を上げることが出来る。 （Ｃ）バレルシフタ９−１〜９−５でのシフト処理 前記のようにして設定された係数データを用いて乗算を
行った場合、次のような問題点を生ずる。 それは、係数レジスタに設定される値は小数点以下第１
ビツト以後の値であるとした場合、係数レジスタ２−１
に設定された係数データＡ１は、まさしくその通りにな
っている。 しかし、係数レジスタ２−２に設定された係数データＡ
！は、そうではない、小数点以下第４番目のビットを小
数点以下第１番目のビットのところまでシフトした値と
なっている。つまり、上位方向へ３ビツト分シフトした
値であるから、実際の８倍の値となってしまっている。 そのため、係数レジスタ２−２の値を用いて得た乗算器
３−２の乗算結果を正しい値にするためには、小数点を
、係数データ設定時に行ったシフト量と同じだけ、逆方
向にシフトしてやる必要がある。即ち、下位方向へ３ビ
ツト分シフトして、乗算結果を８分の１にする必要があ
る。 それう行うために設けられたものが、シフト量レジスタ
８−２とバレルシフタ９−２である。 下位方向ヘシフトするビット数３を設定しておくのが、
シフト量レジスタ８−２であり、乗算結果を該ビット数
だけシフト処理するのが、バレルシフタ９−２である。 係数データＡ、を係数レジスタ２−１に格納する際には
、シフトは行われていないから、乗算器３−１の乗算結
果に対してシフト処理をする必要はない、このような場
合には、対応するシフト量レジスタ８−１には、ビット
数０が設定される。 そうすれば、バレルシフタ９−１では事実上シフトはさ
れない。 以上では、バレルシフタ９−１と９−２について述べた
が、他のバレルシフタ９−３〜９−５等についても同様
である。 結局、バレルシフタ９−１〜９−５の役目は、係数デー
タを設定する際に行ったシフト分を、元ヘシフトし戻し
、真の乗算結果を得ることにある。 真の乗算結果とされたものが、加算器４で加算される。 （Ｄ）バレルシフタ１１でのシフト処理および丸め処理
回路１２での丸め処理 バレルシフタ１１は、加算器４の出力をシフトするもの
であるので、先ず、加算器４の出力の説明をしておく。 第４図は、加算器４からの出力を表す各ビットの意味を
説明する図である。加算器４の出力のビット幅は、ハー
ドウェア的な制限から、一定のビット幅となっている。 第４図において、四角形の１つ１つは、それぞれ１つの
ビットを表わし、黒点は小数点を表わす。 Ｂ！の部分のビットは、出力端子７から取り出すフィル
タ出力を表すためのビットである。それより上位にある
Ｂ、の部分のビットは、オーバーフローを検知するため
のビットとして用いられる。 正の値がオーバーフローした時は、もしオーバーフロー
しなければＢ１のビットはｒＱＪであるのに、そこへ「
１」が混じることによって検知される。負の値がオーバ
ーフローした時は、もしオーバーフローしなければＢ、
のビットはｒｌＪであるのに、そこへ「０」が混じるこ
とによって検知される。 仮に、フィルタ出力として要求されているのは整数値で
あり、精度を上げるために小数点以下第１位のビットを
丸め処理するとなると、小数点以下第２位以降のＢ、の
部分のビットは、この場合、不必要なビットということ
になる。 さて、前述したように、加算器４の出力のビット幅は、
ハードウェア的な制限から、一定のビット幅となってい
る。入力端子６より入力された信号データが、成るビッ
ト数で表される整数値であると仮定した場合、フィルタ
出力として必要とされるのは、入力された信号データと
同じビット数の整数値である。従って、ダイナミックレ
ンジは、少なくとも該整数値を表し得るものでなければ
ならない。 ところが係数データの値が比較的大きいバイパスフィル
タなどでは、加算結果のダイナミックレンジが大きくな
る傾向があり、オーバーフロー検知のためのビット幅を
増やしたいという要求がある。そのためには、上記の一
定のビット幅内で、小数１点を出来るだけ右方向（下位
方向）の位置にすることが望まれる。 他方、係数データの値が比較的小さいローパスフィルタ
などでは、オーバーフロー検知のためのビット幅は少な
くし、その代わりに小数点以下のビット幅を増やして演
算精度を上げたいという要求がある。そのためには、上
記の一定のビット幅内で、小数点を出来るだけ左方向（
上位方向）の位置にすることが望まれる。 これらの要求に応えるため、本発明のディジタルフィル
タ処理装置では、シフト量レジスタ１０に小数点の移動
量を設定しておき、バレルシフタ１１において加算器４
の出力全体をシフトして・小数点位置の移動を実行する
。 シフト量レジスタｌＯの値は、外部ＣＰＵからＣＰＵイ
ンターフェース５を経て与える。 例えば、加算器４の出力の小数点は最下位ビットから数
えて８ビツト目と９ビツト目との間にあり、フィルタ出
力としては整数値が要求されている場合には、次のよう
にする。 整数値を得る時には、小数点以下第１位のビットが丸め
処理の対象となるビットであり、それ以下のビットは不
必要である。そこで、小数点以下第１位のビットが最下
位のビット位置に来るようシフトするわけであるが、そ
の時のシフト量は下位方向へ７ビツトである。これをシ
フト量レジスタｌＯに設定する。 そして、バレルシフタ１１で、加算器４の出力を、シフ
ト量レジスタ１０に設定されたシフト量（７ビツト）だ
けシフトする。このシフトにより、小数点は、最下位ビ
ットと次のビットとの間に位置することになる。 この例は、フィルタ出力として整数値を得たい場合であ
るが、バレルシフタ１１でのシフト量を変えることによ
り、小故点以下どの桁まで得るかを決めることが出来る
。このことは、所要のフィルタ出力に応じて小数点位置
を変えることが出来るということである。言い換えれば
、所要のフィルタ出力に応じてダイナミックレンジを変
えることが出来るということになる。 丸め処理回路１２では、丸め処理やオーバーフローに関
する処理を行う。 なお、以上説明した第１図の実施例の構成から、加算器
４より後段にあるもの、即ち、シフト量レジスタ１０．
バレルシフタ１１および丸め処理回ｆ？３１２を除いた
形の、ディジタルフィルタ処理装置を構成することも可
能である。 ただ、その場合には、係数データの量子化誤差による影
響を小にすることは出来るが、ダイナミックレンジを自
由に変えるということは出来ない。 【発明の効果１ 以上述べた如く、本発明のディジタルフィルタ処理装置
によれば、次のような効果を奏する。 ■　係数データの量子化誤差に基づくフィルタ出力の誤
差を、小さくすることが出来る。 本発明では、係数レジスタに係数データを設定する際、
係数データの値を表すビットのうち、最初の有効桁のと
ころから設定するようにした。そのため、設定された係
数データを用いて行う乗算の精度が向上し、その分、フ
ィルタ出力の誤差を小さくすることが出来る。 ■　フィルタ出力のダイナミックレンジを、所望の如く
に変えることが出来る。 ディジタルフィルタ処理の最終的な段階で行う加算の結
果を、シフト量レジスタ１０とバレルシフタｌ！により
上位ビット方向、下位ビット方向に所望のビット数だけ
全体としてシフト出来る（つまり、小数点位置を自由に
変えることが出来る）ので、フィルタ出力のダイナミッ
クレンジを自由に変えることが出来る。 そのため、フィルタの周波数帯域や使用する係数データ
に応じてダイナミックレンジを変え、用途に適応したフ
ィルタ出力を得ることが可能となる。 ■　上記のように、ディジタルフィルタ処理装置内で加
算結果における小数点位置を調整してしまうので、ディ
ジタルフィルタ処理装置が集積回路化されている場合、
次の段階で行う丸め処理、オーバーフロー処理等の例外
処理も、集積回路内で行なってしまうことが出来るよう
になった。

【図面の簡単な説明】

４１図・・・本発明の実施例にかかわるディジタルフィ
ルタ処理装置 第２図・・・従来のディジタルフィルタ処理装置第３図
・・・係数レジスタへの係数データの設定の仕方を説明
する図 第４図・・・加算器からの出力を表す各ビットの意味を
説明する図 第５図・・・小数点位置によりダイナミックレンジが異
なることを説明するための図 図において、１−１から１−４は遅延回路、２１から２
−５は係数レジスタ、３−１から３５は乗算器、４は加
算器、５はＣＰＬＪインターフェース、６は入力端子、
７は出力端子、８−１から８−５はシフト量レジスタ％
’　９−１から９−５はバレルシフタ、１０はシフト量
レジスタ、１１はバレルシフタ、１２は丸め処理回路で
ある。 特許出願人　　富士ゼロックス株式会社代理人弁理士　
本　庄　冨１Ｍ１ 第３図 第４ 小数点 第５図 ＰＵ 第２図 手続補正書帽釦 ｌ。 ２゜ ３゜ 事件の表示 平成１年特許願第１０２１８４号 発明の名称 ディジタルフィルタ処理装置 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　東京都港区赤坂三丁目３番５号 名称　（５４９）　　富士ゼロックス株式会社代表者　
小　林　陽太部 ４゜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号データと係数データとを乗する乗算器を複数
   個と、各乗算器より得られた乗算結果を加算する加算器
   とを少なくとも具えたディジタルフィルタ処理装置にお
   いて、最初の有効桁が先頭になるよう係数データの桁を
   シフトして格納する係数レジスタと、該係数レジスタに
   対応して設けられ且つ前記シフトの量と同じシフト量を
   設定するシフト量レジスタと、前記乗算器の出力の桁を
   該シフト量レジスタに設定されたシフト量だけ前記シフ
   トとは逆方向にシフトするバレルシフタとを有すること
   を特徴とするディジタルフィルタ処理装置。
2. （２）第２のシフト量が設定される第２のシフト量レジ
   スタと、加算器の出力の桁を該第２のシフト量だけシフ
   トする第２のバレルシフタとを有することを特徴とする
   請求項１記載のディジタルフィルタ処理装置。