JPH03289709A - 量子化器 - 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 本発明は語長の長いデジタル信号を高速サンプリングさ
れた語長の短いデジタル信号に変換する量子化器に関す
る。

従来の技術 近年、デジタル信号処理技術の向上により従来アナログ
処理されていた信号がデジタル処理化されてきている。

これに伴い、デジタルアナログ変換器の高性能化、ロー
コスト化がさらに重要となってきている。これら目的の
ために、ノイズシェーピング型の量子化器がよく用いら
れている。ノイズシェーピングを用いた量子化器として
は、例えば、特開昭８３−２０９３３４号公報に多段ノ
イズシェーピング型による量子化器が示されている。こ
の量子化器を用いると、発振等を起こすことのない安定
な高次のノイズシェーピングを行うことができる。しか
し、一方で量子化器出力の階調が増えるという課題もあ
った。そこで、この量子化器に改良を施し、量子化器出
力の階調増加を−ｒ−ＭｉＬ　　Ａｕｇ、１９８９．　
　Ｖｏｌ。

２４、　　　Ｎｏ、　　４）。

遅延回路１２７．加算器１２６により積分器１０２が構
成されている。局部量子化器１０３．加算器１２８．遅
延回路４．減算器１０１．積分器１０２により１次のシ
ェーピング次数を有する単積分型ノイズシェーピング量
子化器となるメインループ１００が構成されている。ま
た、加算器１２０と遅延回路１２１により積分器１０Ｂ
が加算器１２２と遅延回路１２３により積分器１１０が
構成されている。減算器１０７，１０９、局部量子化器
６、積分器１０８，１１０１　遅延器１１２により２次
のシェーピング次数を有する二重積分型ノイズシェーピ
ング量子化器となるサブループｌＯ６が構成されている
。サブループ１０６には、減算器２により、局部量子化
器１０３の入出力の差が与えられている。また、積分器
１０８の出力が乗算器１３０により係数ａが掛は合わさ
れた後加算器１２８を介して局部量子化器１０３人力に
加算されている。なお、ここでは、入力Ｘは１６ビツト
のデジタル信号であり、局部量子化器１０３．６は第１
表および第２表に示すとおりの量子化を行っている。な
お、出力は１６３８４で規格化している。

第１表 第２表 ここで、局部量子化器１０３により発生される量子化誤
差をＶｑＬ　局部量子化器６により発生される量子化誤
差をＶｑ２とすると、メインループ１００の入力Ｘ、出
力Ｗの関係、およびサブループ１０６の入力Ｘ　ｌ、　
　出力Ｗ′の関係は（１）式。

（２）式のとおり表される。

Ｗ　＝　　Ｘ　　＋　（１−ｚ−’）　＊Ｖｑ　１　　
　−（１）Ｗ’＝Ｘ’＋（１−ｚ−’）”＊Ｖｑ２　　
　＝（２）ここで、加算器２の出力は局部量子化器１０
３の入出力差であるので、 Ｘ’＝−Ｖｑｌ　　　　　　　　　　　　　・・・（３
）よってサブループ１０Ｂの出力Ｗ′を減算器１３、遅
延器１４により構成される微分器１０にて微分した後、
加算器１２によりメインループ１００の出力Ｗと加算す
ると、（１）式に示すＶｑｌの項が打ち消され、全体と
しての入出力Ｘ、　　Ｙの関係は（４）式に示すとおり
となる。

Ｙ＝Ｘ十（１−ｚ−’）”＊Ｖｑ２　　　　　・＝（４
）ここで、サブループの階調が±０．５であるにも関わ
らずこの回路が安定に動作するのは以下の理由による。

すなわち、乗算器１３０により積分器１０８の値が加算
器１２８を介して局部量子化器１０３にフィードバック
されている。よって、積分器１０８の値が大きな値のと
きは局部量子化器１０３の入力も大きくなるため、減算
器２の値は負の大きな値となる。この値が減算器１０７
を介して積分器１０８に与えられているが、減算器１０
７のもう一方の入力は、高々０．５であるので、積分器
１０８には負の大きな値が入力され、徐々に積分器１０
８の出力は小さくなる。

このように、積分器１０８の値が小さくなる方向でメイ
ンループ１００に対してフィードバックをかけてやるこ
とで局部量子化器６の入力を小さく抑えることが可能と
なり、局部量子化器６の出力階調を低くすることができ
るものである。

ここで、Ｗの取り得る値、すなわち階調は−２゜−１，
・・・、＋２の５通り（５値）であり、Ｗ′の取り得る
値は−０，５，＋０．５の２値であるので、Ｙの取り得
る値は−３，−２，・・・　＋３の７値となる。すなわ
ち、入力信号が７値（３ビット弱）に圧縮されることを
示している。また、（４）式は低域の量子化誤差が高域
に追いやられることを示しており、よって第３図のよう
に構成することにより、入力されるデジタル信号のダイ
ナミックレンジを損うことなく出力するデジタル信号の
ビット数を圧縮することができ、６４倍オーバサンプリ
ングでこの回路を動作させると約１１８ｄＢのダイナミ
ックレンジが得られるものである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、サブループ１０６
内の積分器１０８の値が確定した後、積分器１０８出力
→乗算器１３０→加算器１２８→局部量子化器１０３→
減算器２→減算器１０７→積分器１０８→減算器１０９
→積分器１１０→局部量子化器６の経路を通って再度演
算を行わなければならず、非常に多くの演算時間を要す
る。しかも、帰還が初段の積分器である積分器１０８出
力より掛かっており、以降の積分器１１０については無
帰還であるため、積分器１１０については発振、あるい
は、オーバフローの防止策がないに等しい。よって、例
えばサブループとして３次以上のシェーピング次数を有
するものを用いることが困難となるという問題点があっ
た。

本発明は上記の問題点に鑑み、より少ない演算時間で、
同様の効果を得ることができる量子化器を提供すること
を目的とする。

課題を解決するための手段 目的を達成するため本発明による量子化器は、入力信号
の量子化を行う第１の局部量子化器を有し、与えられた
入力のノイズシェーピングを行う第１のノイズシェーピ
ング型量子化器と、入力信号の量子化を行う第２の局部
量子化器と、前記第２の局部量子化器の発生する量子化
誤差を検出する検出手段と、この検出手段の出力に所定
の伝達関数を乗じて帰還させる帰還回路とを有し、第１
のノイズシェーピング型量子化器が発生する量子化誤差
と帰還回路の出力とを加算して第２の局部量子化器に入
力するようにし、帰還回路の出力の極性に応じて、第１
の局部量子化器の入力信号に対し、所定の値を加減算す
るようにし、前記第２の局部量子化器の出力を第１のノ
イズシェーピング型量子化器のシェーピング次数に応じ
て微分し、その微分出力と前記第１の局部量子化器の出
力とを加算し、その加算結果を出力として取り出すよう
にしたものである。

作用 上記のように、帰還回路の出力に応じて、メインループ
における局部量子化器の入力にその量子化ステップの士
を加算、あるいは、減算することにより、メインループ
の発生する量子化誤差が必ず寿還回路の出力と逆極性に
なる。故に、この値と帰還回路の出力との加算結果が入
力されるサブループにおける局部量子化器の入力レベル
の絶対値は常に帰還回路の出力のそれより小さくなり、
サブループにおける局部量子化器の階調を少なくするこ
とができる。また、帰還回路の出力が予め確定している
ため、演算に要する時間も少なくて済むものである。

実施例 以下、図面に基づき本発明の説明を行う。

第１図は本発明による量子化器の実施例である。

この図を説明すると、１は局部量子化器であり、入力さ
れる信号の量子化を行う。入力と出力の関係は第３表に
示すとおりである。

第３表 なお、出力は１１２Ｂ４で規格化している。６は局部量
子化器であり、入力と出力の関係は第４表に示すとおり
である。

第４表 ９は帰還回路であり、その伝達関数Ｈ（ｚ）は（５）式
に示されるとおりであり、具体的には、第２図に示すと
おりの構成となっている。

Ｈ（ｚ）　＝　−２ｚ−’　＋ｚ−’　　　　・・（５
）つまり、入力が遅延回路４１に与えられ、乗算器４４
によって２倍された出力と、遅延回路４２の出力との差
を減算器４３により求めている。１１は符号検出器であ
り、帰還回路９の出力βを入力とし、その符号に応じて
所定の値、ここでは、局部量子化器１の量子化ステップ
である１１２６４の半分に相当する＋５８３２、あるい
は−５６３２を出力する。実際には、この符号検出器１
１には帰還回路９の出力βの最上位ビット（以下、ＭＳ
Ｂと称す。）が与えられており、入力＝Ｏならば、＋５
６３２を、入力＝１ならば−５６３２を出力するように
なっている。

次に、第１図に示す回路の動作について説明する。加算
器３、局部量子化器１、加算器５、減算器２、遅延器４
により単積分型ノイズシェーピングのメインループが構
成される。加算器５および局部量子化器１により発生さ
れる量子化誤差をＶｑｌとすると減算器２の出力は−Ｖ
ｑｌとなる。

この値が遅延器４を介して入力にフィードバックされ、
局部量子化器１の出力Ｗは従来例の場合と同様（６）式
のとおりとなる。

Ｗ　＝　Ｘ　＋（１−ｚ−’）−Ｖｑ　１　　　　　・
（６）一方、局部量子化器６．加算器７．減算器８゜帰
還回路９により二重積分型ノイズシェーピングのサブル
ープが構成される。この実施例で用いている局部量子化
器６は先に述べたように±０．５を出力する。また帰還
回路９による帰還量βは、その伝達関数より明らかなよ
うに、局部量子化器６による量子化誤差の最大３倍であ
る。通常動作時には局部量子化器６の発生する量子化誤
差は０．５以下であるので、帰還回路９による帰還量β
の最大値は１．５である。

ここで、局部量子化器８への入力について考えると、こ
の値は、帰還回路９による帰還量βと前述のメインルー
プの発生する量子化誤差Ｖｑｌの符号反転をしたものを
加えたものとなる。符号検出器１１に入力される帰還量
βが正、負の各々の場合について考えると、 βａＯ場合、局部量子化器１人力に５６３２が加算され
るため、局部量子化器１の実質的な動作が、四捨五入か
ら切り上げへと変わり、正の量子化誤差が発生する。よ
って減算器２の出力（−ＶＱｌ）の値は負になる。

βくＯの場合、局部量子化器１人力に５６３２が減算さ
れるため、局部量子化器１の実質的な動作が、四捨五入
から切り捨てへと変わり、負の量子化誤差が発生する。

よって減算器２の出力（−Ｖｑ　１）の値は正になる。

このように、加算器７の入力、　（−Ｖｑｌ）とβの符
号が必ず異なるようになる。Ｖｑｌの値の絶対値は平均
すると０．５であるので、よって局部量子化器６の入力
は±１．０以内になり、歪の発生を抑えることができる
。よって、この回路においても従来例の場合と同様、局
部量子化器６が発生する量子化誤差をＶｑ２として、 Ｗ’＝−Ｖｑｌ＋（１−ｚ−’）　２・Ｖｑ　２　−（
７）となり、加算器１２の出力Ｙは Ｙ　＝　Ｗ　＋　（１−ｚ−’）＊Ｗ’＝Ｘ＋（１−ｚ
−’）”＊ＶＱ２　　・（ｓ）となり、３次のノイズシ
ェーピングが得られることになる。この場合、局部量子
化器１の出力が−３〜＋３の７値であり、局部量子化器
６の出力が±０．５の２値であるので、最終出力Ｙは、
−４〜＋４の８値となり、従来例と同様のシェーピング
効果を得ることができる。

ここで、信号の伝達経路について考えると、第２図より
わかるとおり、帰還回路９の出力は符号検出器１１出力
の如何に関わらず確定しており、減算器２の出力の符号
だけが問題になる。ここで、仮に帰還回路９の出力と減
算器２の出力の符号が異なった場合であっても、信号の
伝達経路は、符号検出器１１→加算器５→減算器２→加
算器７→減算器８または局部量子化器６、と大幅に短く
なる。また、メインループに対する帰還についても、局
部量子化器６の入力となる値が小さくなるように帰還を
掛けているため、サブループ全体に対しての帰還が掛か
り、帰還回路９の設計の自由度が高くなり、例えば帰還
回路９の特性が３次以上のものであっても回路が安定に
動作させることができる。すなわち、例えば、局部量子
化器６として第４表に示したものを用い、また帰還回路
９の伝達関数として（９）式に示すような高次のものを
用いてもよいものである。

この伝達関数を用いると低域で４次のノイズシェーピン
グ効果が得られ、３２倍オーバサンプリングでこの回路
を動作させると約１１８ｄＢのダイナミックレンジを得
ることができる。

なお、以上の実施例において、局部量子化器１としては
−３〜＋３の５値を出力するものを用いたが、無論これ
に限ったものではなく、６値以上、あるいは、５値以下
のものであって良い。また、帰還回路９の伝達関数とし
て（５）式、あるいは（９）式に示すものを用い、また
、局部量子化器６として２値、あるいは３値出力のもの
を用いた場合について示したが、無論これに限定された
もので無いことは言うまでもない。さらに、メインルー
プについても単積分型のノイズシェーピング回路である
必要はなく、要は、このループで発生される量子化誤差
がサブループに入力され、サブループにおける量子化誤
差の帰還量とサブループに入力されるメインループから
の値が逆極性になれば良いものである。

発明の効果 以上述べたように本発明は、入力信号の量子化を行う第
１の局部量子化器を有し、与えられた入力のノイズシェ
ーピングを行う第１のノイズシェーピング型量子化器と
、入力信号の量子化を行う第２の局部量子化器と、前記
第２の局部量子化器の発生する量子化誤差を検出する検
出手段と、前記検出手段の出力に所定の伝達関数を乗じ
て帰還させる帰還回路とを有し、前記第１のノイズシェ
ーピング型量子化器が発生する量子化誤差と前記帰還回
路の出力とを加算して前記第２の局部量子化器に入力す
るようにし、前記帰還回路の出力の極性に応じて、前記
第１の局部量子化器の入力信号と、所定の値とを加減算
するようにし、前記第２の局部量子化器出力を第１のノ
イズシェーピング型量子化器のシェーピング次数に応じ
て微分し、その微分出力と前記第１の局部量子化器の出
力とを加算し、その加算結果を出力として取り出すよう
にしたため、サブループにおける局部量子化器の階調が
少なくて済み、量子化器全体としての階調を減らすこと
ができる。また、サブループの帰還回路として２次を超
えるようなものを用いた場合においても、階調を増やす
ことなく帰還回路の発振を抑えることができ、しかも演
算に要する時間も少なくて済むという優れた効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による量子化器の実施例を示すブロック
図、第２図は同実施例における帰還回路の詳細を示すブ
ロック図、第３図は従来の量子化器を示すブロック図で
ある。 １．６・・・局部量子化器、　　４・・・遅延回路、９
・・・帰還回路、　　１０・・・微分器、　　１１・・
・符号検出器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力信号の量子化を行う第１の局部量子化器を有
   し、与えられた入力のノイズシェーピングを行う第１の
   ノイズシェーピング型量子化器と、入力信号の量子化を
   行う第２の局部量子化器と、前記第２の局部量子化器の
   発生する量子化誤差を検出する検出手段と、前記検出手
   段の出力に所定の伝達関数を乗じて帰還させる帰還回路
   とを有し、前記第１のノイズシェーピング型量子化器が
   発生する量子化誤差と前記帰還回路の出力とを加算して
   前記第２の局部量子化器に入力するようにし、前記帰還
   回路の出力の極性に応じて、前記第１の局部量子化器の
   入力信号と所定の値とを加減算するようにし、前記第２
   の局部量子化器の出力を第１のノイズシェーピング型量
   子化器のシェーピング次数に応じて微分し、その微分出
   力と前記第１の局部量子化器の出力とを加算し、その加
   算結果を出力として取り出すようにした量子化器。
2. （２）所定の値が、第１の局部量子化器 の量子化ステップの半分の値である請求項１記載の量子
   化器。