JPH03289808A - 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６３−２０９３３４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
力の階調増加を抑える手法が提案されている。第３図に
そのブローげ一へ１　ｔ＋　　Ａ　ｕ　ｇ、１゜８゜ｒ
　　Ｖｏｌ。

２４、　　　Ｎｏ、　　４）。

加算器１２６．遅延回路１２７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１０８
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θ、積分器１０８，１１０、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１０８が構成されている
。サブループ１０Ｂ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１
０８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。

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、小
出力の関係、およびサブループ１０６の入力Ｘ′、出力
Ｗ′の関係は（１）式。

（２）式のとおり表される。

Ｗ＝Ｘ＋（１−ｚ−’）＊Ｖｑ１　　　−ｒｌ）Ｗ’＝
　Ｘ’＋　（１−ｚ−’）２・Ｖｑ２　　　−・・（２
）ここで、加算器２の出力は局部量子化器１０３の入出
力差であるので、 Ｘ’＝−Ｖｑｌ ・・・（３） 第１表 第２表 よってサブループ１０６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＋　　（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１
０７を介して積分器１０８に与えられてへ）るが、減算
器１０７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１０８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　ｌの取リ得
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き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 上記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の局部量子化器を存し、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
を前記第１の局部量子化器の入力信号に対し重み付け加
算する加重加算手段とを備え、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、その微分出力を前記第１の局
部量子化器の出力と加算し、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、帰還回路出力値を、メインループにおけ
る局部量子化器の入力に加算することにより、帰還回路
の出力の値が大きいときは、メインループの発生する量
子化誤差が帰還回路出力と逆極性で、しかも大きな値と
なり、逆に、帰還回路の出力の値が小さいときは、メイ
ンループの発生する量子化誤差も小さくなる。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。なお、出力は１１２６４で規格化し
ている。

第３表 すなわち、局部量子化器１人力をＰｌ　　同出力をＷと
して、（５）式のとおり表される。

Ｗ＝Ｃ（Ｐ＋５６３２）／１１２Ｂ４コ　・・・（５）
但し、　［コはガウス記号である。

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（６）式
に示されるとおりで、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−”　　　　　　
・・・（６）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は乗算
器であり、加算器５とともに加重加算を行っている。こ
の乗算器１１では入力される帰還回路９出力βに対し、
１を乗算している。すなわち、帰還回路９の出力を直接
加算器５に入力している。

次に、第１図に示す回路の動作について説明する。加算
器３９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（７）式
のとおりとなる。

Ｗ＝Ｘ＋（１−ｚ−’）ｅＶＱｌ　　　　・・・（７）
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、メインループの発生する量子化誤差■ｑ１の値
は（６）式より、 Ｖｑｌ＝［（Ｃ＋β＋５Ｅｉ３２）／１１２１１ｉ４］
　−１１２８４−Ｃ・・・（８） となる。局部量子化器６への入力Ｐ′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の差であるので、 Ｐ’＝β−Ｖｑｌ ＝β十Ｇ−［（Ｃ＋β＋５６３２）／１１２Ｇ４］　＠
１１２６４・・・（９） （９）式は　ｐ　ｌの値が常に±５６３２以内になるこ
とを示しており、つまり、局部量子化器６を含むこのサ
ブループは発振することなく安定に動作することを意味
する。

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’＝　−Ｖｑ　１　＋（１−ｚ−’）２−　Ｖｑ　２
・　（１０）となり、加算器１２の出力Ｙは Ｙ　　＝Ｗ十（１−ｚ−’）＠Ｗ’ ＝Ｘ＋（１−ｚ−’）ｉＶＱ２　　−（１１）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９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の出力は確定しており、信号の
伝達経路は、帰還回路９→乗算器１１→加算器５→局部
量子化器１→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（なり、例えば帰還回路９の特性が３次以上のも
のであっても回路を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（１２）
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、熱論これ
に限ったものではなく、６値以上、あるいは、５値以下
のものであっても良い。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、熱論これに限定され
たものでないことは言うまでもない。また、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
差の帰還量に応じてサブループに入力されるメインルー
プからの値が変化するものであれば良いものである。ま
た、乗算器１１における重み付けの値についても１に限
定したものではなく、メインループ、サブループの局部
量子化器の量子化ステップや、帰還回路９の伝達関数の
如何によって自由に変えてよいものである。また、乗算
器１１の入力としても、必ずしも帰還回路９の出力をす
べて入力する必要はなく、例えばその上位ビットのみを
入力するようにしてもよいものである。

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の局部量子化器を存し、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を所定の伝達関数により
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、さらに、前記帰還回路の出力を前記第１の局
部量子化器の入力信号に対し重み付け加算する加重加算
手段を備え、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図は同実施例の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。

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、さらに前
   記帰還回路の出力を前記第１の局部量子化器の入力信号
   に対し重み付け加算する加重加算手段とを備え、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
   力を前記第１の局部量子化器の出力と加算し、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）加重加算手段による重み付けの値が１である請求
   項１記載の量子化器。