JPH03289809A - 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ぃる。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、　Ｉｊ、−ｈｒ’″−ｕ　ｉＬ　　Ａ
ｕ　ｇ、１９８９＋　　Ｖｏ　１−２４、　　　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
６、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１０６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
ィジタル信号であり、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ＩＥ３３Ｂ４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Ｘ１　
　出力Ｗの関係は（１）式のとおり表される。

Ｗ　＝　　Ｘ　　＋　（１−ｚ−’）ｅＶＱｌ　　　　
・・・（１）一方、サブループ１０Ｂの入力Ｘ　ｌ、　
　出力Ｗ”の関係より（２）式が成り立つ。

Ｗ’＝　Ｘ’＋　（１−ｚ”）２ｅＶｑ２　　　　・（
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
）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−’）３＊ＶＱ２　　　　　・ｒ４
）ここで、サブループの階調が±０．５であるにも関わ
らす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
とで積分器１１０の値も小さく抑えることができ、局部
量子化器ｅ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５図のよう
に構成することにより、入力されるディジタル信号のダ
イナミックレンジを損うことなく出力するディジタル信
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、あるいハ、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 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
の極性と前記第１の局部量子化器が発生する量子化誤差
の極性とに基づき前記第１の局部量子化器の出力値と所
定の値とを加減算する制御手段を備え、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
次数に応じて微分し、その微分出力を前記制御手段の出
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、帰還回路の出力に応じて、メインループ
における局部量子化器の出力を＋１または−１するよう
にしたので、メインループの発生する量子化誤差が必ず
帰還回路の出力と逆極性になる。よって、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１１２８４で規格化している。５は制御回
路であり、後述の符号検出器１１の出力に応じて、局部
量子化器１の出力を＋１または−１するもので、ここで
は第２図に示すとおりの構成となっている。すなわち、
加算器２０により符号検出器１１の出力Ｃと局部量子化
器１の出力Ｑ１とを加算し、リミッタ２１によりその結
果が−３〜＋３を超えないようにしている。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 θ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、具体的には第３図に示すとおりの
構成となっている。

Ｈ（ｚ）＝−２ｚす＋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、
減算器２の出力、すなわち、メインループの出力である
一Ｖｑｌと帰還回路９の出力βを入力とし、それらの符
号に応じて２ビツトの信号Ｃ（Ｃ１，Ｃｏ）を出力する
。実際には、この符号検出器１１には減算器２の出力の
最上位ビット（以下、ＭＳＢと称す。）と、帰還回路９
の出力のＭＳＢが与えられ、第４図に示すとおりの構成
となっている。ここで、３０は排他的論理和ゲートであ
る。３１はＡＮＤゲートであり、信号βは、ＡＮＤゲー
ト３１に対して極性反転されて入力されるようになって
いる。このように構成することにより、 −Ｖｑｌ≧０１　　かつ、β＜０１　　ならば、Ｃ＝Ｏ
Ｖ　ｑ　１　＜　Ｏｚ　　かつ、β≧０、ならば、Ｃ＝
〇−ｖｑｌ≧０、かつ、β≧０、ナラば、Ｃ＝１−ｖｑ
ｌ＜０、かつ、β＜０、ナラば、Ｃ＝−１が出力される
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３１局部量子化器１．制御回路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。局部量子化器１および制御回路５の双方に
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−Ｖｑ１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るため、この制御回路５の出力
Ｗは（６）式のとおりとなる。

Ｗ　＝　Ｘ　　＋（１−ｚ−１）・Ｖｑｌ　　　　　　
　−＝Ｃ６）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６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から前述のメインルー
プの発生する量子化誤差Ｖｑｌを引いたものとなる。符
号検出器１１により、帰還量βと、サブループの入力（
−Ｖｑｌ）の符号が一致するときには、 符号が正の場合、局部量子化器１に１が加算され、減算
器２の出力（−Ｖｑｌ）の値は負になる。

符号が負の場合、局部量子化器１に１が減算され、減算
器２の出力（−Ｖｑｌ）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８が発生する量子化誤差をＶｑ２として、 Ｗ’＝　−Ｖｑｌ＋（１−ｚ−’）２・Ｖｑ２　・−（
７）となり、加算器１２の出力Ｙは Ｙ　＝　Ｗ＋　（１−ｚ−’）ｅＷ’ ＝　　Ｘ＋　（１−ｚ−’）”・Ｖｑ２　　　　　　・
・・（８）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３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→制御回路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（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ダイナミツクレンジを得る
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。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と前記第１の局
部量子化器が発生する量子化誤差の極性とに基づき前記
第１の局部量子化器の出力値と所定の値とを加減算する
制御手段を備え、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制御手段の出力とを
加算し、その加算結果を出力として取り出すようにした
ことにより、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図は制御回路５の具体的な実施例を示すブロッ
ク図、第３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４図は符号検出器１１の具体的な実施例
を示すブロック図、第５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、 ５・・・制御回路、 ９・・・帰還回路、 １０・・・微分器、 １・・・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
   回路の出力の極性と前記第１の局部量子化器が発生する
   量子化誤差の極性とに基づき前記第１の局部量子化器の
   出力値と所定の値とを加減算する制御手段を備え、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
   分出力と前記制御手段の出力とを加算し、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）制御手段により、第１の局部量子 化器の出力値の制御を行った後の値が、所定の値以内に
   なるようにした請求項１記載の量子化器。