JPH0430618A

JPH0430618A - 量子化器

Info

Publication number: JPH0430618A
Application number: JP13440390A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhiko Kaneaki; 哲彦金秋; Katsuyuki Takayama; 強之高山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-05-24
Filing date: 1990-05-24
Publication date: 1992-02-03
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: JPH0779257B2

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
れにともない、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、たとえ
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、発振など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ほどこし、量
子化器出力のｌｌｌ調増加を抑える手法が提案されてい
る（たとえば、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　５ｏｌｉｄ　５
ｔａｔｅ　ｃｉｒｃｕｉ↑、　Ａｕｇ、１９８９゜Ｖｏ
ｌ、２４．Ｎｏ、４　）　。

第３図は上記提案されている手法のブロック図を示す。

第３図において、遅延器１２７、加算器１２６により積
分器１０２が構成され、この積分器１０２と加算器１２
８、局部量子化器１０３、遅延器４、減算器１０１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と遅延器１２１により積分
器１０８が構成され・また加算器１２２と遅延器１２３
により積分器１１０が構成され、これら積分器１０８，
１１０と減算器１０７゜１０９、局部量子化器６、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１０
６が構成されている。このサブループ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の出力は乗算器１３０によ
り係数ａが掛は合わされた後加算器１２８に加えられ、
局部量子化器１０３人力に加算されている。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表に示すような量子
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、出
力Ｑ１の関係、およびサブループ１０６の入力Ｘ′、出
力Ｑ２の関係は（１）式、（２）式のとおり表わされる
。

〔以下余白〕

第表第表Ｑ　１　＝ｘ＋　　（１−ｚ　　−’）　　−Ｖｑｌ−
ｉｌ）Ｑ２＝Ｘ’　　＋　　（１−ｚ　　−’）　　２
−　ＶＯ２−＋２）一方、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Ｑ２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Ｑ１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−’）き　・Ｖｑ２・・・（４）こ
こで、サブループ１０６のＱｌ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、Ｑｌの取り得る値、すなわちＮ調は２、−１、
・・・、＋２の５とおり（５値）であり、Ｑ２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）に圧縮されたこと
になる。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、したがって第３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な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倍オーバー
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出カ
ー乗算器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の経路をとおって再度
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１０Ｂ
の出力から掛かつており、以降の積分器である積分器１
１０については無帰還であるなめ、積分器１１０につい
ては発振、あるいはオーバーフローの防止策が無いに等
しい。したがって、たと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
なるという問題があった。

本発明は上記問題を解決するもので、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ものである。

課題を解決するための手段上記問題を解決するために、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、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、前記検出手段出力を所
定の伝達関数により帰還させる帰還回路を有し、前記第
１のノイズシェーピング型量子化器が発生した量子化誤
差を前記帰還回路出力と加算して前記第２の局部量子化
器に入力し、ノイズシェーピングを行う第２のノイズシ
ェーピング型量子化器と、前記帰還回路の出力レベルに
基づき、前記第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振幅検出手段、あるいは、前記帰還
回路出力のレベルに基づき前記第１の局部量子化器の量
子化レベルを変化させる手段と、前記第１のノイズシェ
ーピング型量子化器の第１の局部量子化器出力に対し、
前記第２のノイズシェーピング型量子化器の第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て加算する手段とを備
え、この加Ｘ−結果を出力として取り出すように構成し
たものである。

作用上記構成により、帰還回路出力のレベルに応じて、メイ
ンルーズにおける局部量子化器の入力に所定の値を加算
、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帰還回路出力と逆極性になり、あ
るいは、帰還回路出力のレベルに応じてメインルーズに
おける局部量子化器の量子化レベルが変化し、局部量子
化器が出力する値をより大きく、あるいはより小さくす
ることによりメインルーズの発生する量子化誤差が必ず
帰還回路出力と逆極性になる。したがって、この値と帰
還回路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ＩＩＩ調を少なくすることができる。また、帰還
回路出力があらかじ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。

実施例以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す量子化器のブロック図
である。第１図において、加算器３．５、第１の局部量
子化器１、減算器２、遅延器４により単積分型ノイズシ
ェーピング量子化器となるメインループが構成されてお
り、減算器２の出力には局部量子化器１の入出力差が得
られ、この出力は遅延器４を介して加算器３に加えられ
、入力にフィードバックされる。一方、減算器２の出力
は加算器７にも入力され、この加算器７、第２の局部量
子化器６、減算器８、帰還回路９により二重積分型ノイ
ズシェーピング量子化器となるサブループが構成されて
おり、減算器８の出力には局部量子化器６の入出力差が
得られ、この出力は帰還回路９を介して加算器７に加え
られて入力にフィードバックされる。さらに、帰還回路
９の出力は振幅検出器１１を介してメインループの加算
器５にも加えられる。また局部量子化器６の出力は微分
器１０にて第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た後、加算器１２に加えら
れ、メインループの局部量子化器１の出力と加算される
。

メインルーズの局部量子化器１は入力される信号の量子
化を行い、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。

第表サブループの局部量子化器６の入力と出力の関係は前記
第２表と同じである。サブループの帰還回路９は、その
伝達間数Ｈ（ｚ）は（５）式に示されるとおりであり、
具体的には、第２図に示す構成となっている。

Ｈ（ｚ）　＝−２ｚ　’−’±ｚ−”−（５）すなわち
、入力が遅延回路４１に与えられ、この遅延回路４１出
力が乗算器４４によって２倍された信号と遅延回路４１
出力が入力される遅延回路４２の出力との差を減算器４
３により求めている。振幅検出器１１は帰還回路９の出
力βを入力とし、そのレベルに応じて所定の値Ｃを出力
する。これは量子化器の一種とも考えられ、ここでは、
入力βに応じて第４表に示すとおりの値を出力する。

次に第１図に示す回路の動作について説明する。

単積分型ノイズシェーピング量子化器のメインルーズの
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（３１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、メインルーズの局部量子化器１の出力Ｑ１は従来
例の場合と同様（６）式％式％一方、二重積分型ノイズシェーピング量子化器のサブル
ープ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、
その伝達間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０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と前記メインルーズの
発生する量子化誤差Ｖｑ１の差となる。１ｉ２幅検出器
１１に入力される帰還量βがＯ〜１１２６４の場合につ
いて考えると、第４表より局部量子化器１の入力に５６
３２が加算されるため、局部量子化器１が出力する量子
化誤差Ｖｑ１はＯ〜１１２６４の範囲にあり、よって局
部量子化器６への入力Ｐは−１１２６４〜１１２６４の
範囲にある。すなわち１１２６４で規格化すると、−１
，０〜１．０の範囲にある。しかし、β、ＶＱｉともラ
ンダムな値と考えられるため、このときのβ、Ｖｑｌの
平均値はともに５６３２であり、その差であるＰの平均
値ｐ　Ａｖａはほぼ０になる。

同様にその他の場合について考えると、帰還量β、振幅
検出器１１の出力Ｃ１量子化誤差Ｖｑ１、局部量子化器
６の入力Ｐの平均値ＰＡＶＥとの関係は第５表のとおり
となる。ただし、この第５表は各数値を１１２６４で規
格化した値を記しである。

第５表このように、局部量子化器６の入力の平均値は常に±０
．２５以内になり、サブループによる歪の発生を抑える
ことができる。したがって、この回路においても従来例
の場合と同様、サブループノ局部量子化器６が発生する
量子化誤差をＶｑ２として・その出力Ｑ２はＣ２＝−ＶＱ１＋　（１−ｚ　−’）　”　　−Ｖｑ２
・（７）また、加算器１２の出力ＹはＹ　＝Ｑ１＋　＜１−Ｚ　−’）　−Ｃ２＝Ｘ＋　＜　
１−ｚ　−’）　’　−Ｖｑ２・１８）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。

なお、振幅検出器１１が入力値βに基づいて第６表に示
すとおりの動作行い、加算器５で局部量子化器１の入力
に対して所定の値を加算する代わりに、局部量子化器１
が振幅検出器１１の出力Ｃの値に応じてその量子化レベ
ルを第７表に示すとおりに変化させるものであっても同
様の効果を得ることができる。なお、第６表、第７表に
記載の数値はすべて１１２６４で規格化した値である。

〔以下余白〕

第表第７表この場合、量子化レベルの異なる局部量子化器を４個用
意し、振幅検出器１１の出力Ｃによってその内の１個の
出力を取り出すようにするか、あるいは、比較レベルを
振幅検出器１１の出力Ｃを用いて暫時変化させるように
局部量子化器１を構成するものである。

ここで、信号の伝達経路について考えると、第２図より
わかるように、帰還回路９の出力は確定しているので、
信号の伝達経路は振幅検出器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となり、大幅に短くなる。また、メインルーズ
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、たとえば帰還回路９の特性が３次以上
のものであっても、つまり、シェーピング次数が３次以
上であっても、回路を安定に動作させることができる。

３次のシェーピング次数を有する例として、局部量子化
器６に第８表に示すとおりのものを用い、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
た場合について次に示す。

なお、ここでは局部量子化器６は第８表に示すような量
子化を行い、また、振幅検出器１１は第９表に示すよう
な動作を行うものを用いている。

第８表第表ここで、局部量子化器６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とメインルーズの発生す
る量子化誤差ＶＱ１の差であるので、まず、振幅検出器
１１に入力される帰還量βが１１２６４〜＋１１２６４
の場合について考えると、第９表に示すように局部量子
化器１の入力には何も加算されないので、局部量子化器
１のが出力する量子化誤差Ｖｑ１は−５６３２〜＋５６
３２の範囲にある。

したがって局部量子化器６の入力Ｐの値は−１６８９６
〜＋１６８９６の範囲、すなわち１１２６４で規格化す
ると、−１，５〜＋１．５の範囲にある。したがって局
部量子化器６が発生する量子化誤差Ｖｑ２は±０．５以
内となり、安定に動作することがわかる。同様にして、
その他の場合について考えると第１０表に示すとおりに
なる。

〔以下余白〕

第１０表ここで、帰還量βの最大値について考えると、帰還回路
９による利得の最大値はその伝達間数より２．６４であ
る。正常に動作しているときには、局部量子化器６が発
生する量子化誤差は、±５６３２（規格化すると０．５
）以内であるので、βの値は１．５を超えることはほと
んどないと言える。したがってこの量子化器の初期値と
して帰還量βをＯに設定すれば、この量子化器は安定に
動作することがわかる。

以上のように、（９）式に示す伝達関数を用い、局部量
子化器６、振幅検出器１１を第８表、第９表のように設
計すると、低域で４次のノイズシェーピング効果が得ら
れ、３２倍オーバー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７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、８値以上、あるいは、６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。

発明の効果以上のように本発明によれば、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、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、前記検出手段出力を所定の伝達関数により帰還
させる帰還回路と有し、前記第１のノイズシェーピング
型量子化器が発生した量子化誤差を前記帰還回路出力と
を加算して前記第２の局部量子化器に入力し、ノイズシ
ェーピングを行う第２のノイズシェーピング型量子化器
と、前記帰還回路の出力レベルに基づき、前記第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振
幅検出手段、あるいは、前記帰還回路出力のレベルに基
づき前記第１の局部量子化器の量子化レベルを変化させ
る手段と、前記第１の局部量子化器の出力に対し、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して微分して加算する
手段とを備え、こ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ｐｉ調
が少なくて済み、量子化器全体としてのｗＩ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図は本発明の量子化器の一実施例を示すブロック図
、第２図は同量子化器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のプロ・ツク図である。１．６・・・第１、第２の局部量子化器、２・・・減算
器、３．５・・・加算器、４・・・遅延器、７・・・加
算器、８・・・減算器、９・・・帰還回路、１０・・・
微分器、１１・・・振幅検出器。代理人　　　森　　本　　義　　弘ＩＩＬ妹第図

Claims

【特許請求の範囲】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、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、前記検出手段出力
を所定の伝達関数により帰還させる帰還回路を有し、前
記第１のノイズシェーピング型量子化器が発生した量子
化誤差を前記帰還回路出力と加算して前記第２の局部量
子化器に入力し、ノイズシェーピングを行う第２のノイ
ズシェーピング型量子化器と、前記帰還回路の出力レベ
ルに基づき、前記第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振幅検出手段と、前記第１のノ
イズシェーピング型量子化器の第１の局部量子化器出力
に対し、前記第２のノイズシェーピング量子化器の第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て加算する手段
とを備え、この加算結果を出力として取り出すように構
成した量子化器。２、入力信号の量子化を行う第１の局部量子化器を有し
、与えち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、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、前記検出手段出力
を所定の伝達関数により帰還させる帰還回路を有し、前
記第１のノイズシェーピング型量子化器が発生した量子
化誤差を前記帰還回路出力と加算して前記第２の局部量
子化器に入力し、ノイズシェーピングを行う第２のノイ
ズシェーピング量子化器と、前記帰還回路出力のレベル
に基づき前記第１の局部量子化器の量子化レベルを変化
させる手段と、前記第１のノイズシェーピング型量子化
器の第１の局部量子化器出力に対し、前記第２のノイズ
シェーピング型量子化器の第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
に応じて微分して加算する手段とを備え、この加算結果
を出力として取り出すように構成した量子化器。