JPH03289810A - 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。

ス１−１−ｆｆｉ−キ・Ｉν ５ｔａｔｅ　　　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　　　　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
ェービ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
シェービ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ＩＥ３３８４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、比
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）式のとおり表わされる。

Ｗ＝Ｘ＋（１−ｚ−’）・Ｖｑｌ　　　　・（１）Ｗ’
＝　　Ｘ’＋　（１−ｚ−’）２ｓＶＱ２　　　・−（
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　　　　　・・
・（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′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次以上のシェービング次数を有
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し、前記帰還回路の出力の出力レベ
ルと前記第１のノイズシェーピング型量子化器が発生す
る量子化誤差とに基づき、前記第１の局部量子化器の出
力値に所定の値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
子化器の次数に応じて微分し、その微分出力と前記ゝ制
御手段の出力とを加算し、その加算結果を出力として取
り出すようにしたものである。

あるいは、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
出手段の出力を所定に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
帰還回路の出力の出力レベルに基づき、前記第１の局部
量子化器の出力値に所定の値を加減算する制御手段とを
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次数に応じ、その微分出力と前記
制御手段の出力とを微分して加算し、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、帰還回路の出力およびメインループが発
生する量子化誤差の値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．＋２゜・・・　あるいは、−
１，−２，・・・、するようにしたため、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
なり、しかも帰還回路の出力の値に応じて、メインルー
プの発生する量子化誤差の値が変化する。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一
定の値より小さくなり、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。なお、出力は１１２６４で規格化し
ている。

５は制御回路であり、後述の振幅検出器１１の出力と局
部量子化器１の出力を加算するもので、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により振幅検出器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３表
に示すとおりである。

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、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−’　　＋　　ｚ−”・・・（５
） 出力との差を減算器４３により求めている。１１は振幅
検出器であり、減算器２の出力、すなわち、メインルー
ズの出力である（−Ｖｑｌ）と帰還回路９の出力βを入
力とし、それらのレベルに応じて、ここでは３ビツトの
信号Ｃ（Ｃ２，ＣＩ、　　Ｃ１１）を出力し、その入出
力の関係は第５表に示すとおりとなっている。

第３表 第４表 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の第５表 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．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は従来例の場合と同様（６）式のとおりとなる。

Ｗ　＝　Ｘ　　＋　（１−ｚ−’）　・Ｖｑ　１　　　
−（８）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。振幅検出器１１により、仮に帰還量
β＝２００００、サブループの入力（−Ｖｑｌ）＝１２
０００のときには、第５表により局部量子化器１の出力
が＋２され、局部量子化器６の入力Ｐ′は、Ｐ　’＝　
１２０００−１１２１１ｉ４Ｘ　２＋　２００００＝　
９４７２　　・・・（７）となり、必ず帰還量βより小
さく、シかも局部量子化器６の入力限界である１１２６
４以下に抑え。

ることかできる。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Ｖ
ｑ２として、 Ｗ’＝　−ＶＱ１＋　（１−ｚ−’）　２＊Ｖｑ２−（
８）よって、加算器１２の出力Ｙは Ｙ＝Ｗ＋　（１−ｚ−’）＠Ｗ’ ＝Ｘ＋　（１−ｚ−’）”＊Ｖｑ２　　　　・・・（９
）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ビ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の出力は振幅検出器１１の出
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、振幅検出器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（１０）式に示すような高次のも
のを用いてもよいものである。

第１図において振幅検出器１１が減算器２と帰還回路９
の双方の出力を入力していたのと比較し、この振幅検出
器１５は、帰還回路９の出力のみを入力としている。こ
の振幅検出器１５の入出力の関係は第６表に示すとおり
となっている。

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。

第４図は本発明による量子化器の他の実施例である。な
お、この図において第１図〜第３図と同一機能を有する
ものについては同一の符号を付し、詳細な説明は省略す
る。本実施例と、第１図に示した実施例との相違点は、
振幅検出器１５であり、第６表 このように構成しても第１図とほぼ同様の動作となり、
減算器２の出力する値が帰還回路９の出力を打ち消す方
向となるため、サブループが安定に動作し、より少ない
階調でより大きなシェービング効果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
のものであって良い。また、帰還回路９の伝達関数とし
て（５）式、あるいは（１０）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、振幅検出器
１１．１５の出力値についても第５表、あるいは第８表
に示したものに限ったものではなく、＋３゜−３をも出
力する、あるいは、±１と０のみを出力するといったも
のでもよいものである。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と
サブループに入力されるメインループからの値によって
メインループの局部量子化器出力に対して加算、減算等
の制御をかけ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に乗じ
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、前記帰還回路出力の出力レベルと前記第
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
差とに基づき、前記第１の局部量子化器の出力値に所定
の値を加減算する制御手段とを備え、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、 または、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ビンクヲ行う第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
帰還回路出力の出力レベルに基づき、前記第１の局部量
子化器の出力値に所定の値を加減算する制御手段とを備
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図は振幅検出器１１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図は本発明による量子化器の他の
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、１１．１５・・・振幅検出器。

Claims (3)

【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
   回路の出力の出力レベルと前記第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に基づき、前記第
   １の局部量子化器の出力値に所定の値を加減算する制御
   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）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
   回路の出力の出力レベルに基づき、前記第１の局部量子
   化器の出力値に所定の値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
   ング型量子化器の次数に応じ、その微分出力と前記制御
   手段の出力とを微分して加算し、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。
3. （３）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または２記載の量子化器。