JPH0430619A - 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、ノイズシニ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ほどこし、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（た
とえば、ＩＥＥＥＪｏｕ「ｎａｌ　ｏｌ　５ｏｌｉｄ　
５ｔａｔｅｃｉｒｃｕｉｔ、　Ａｕｇ、　　１９８９Ｖ
ａｔ、　２４．　Ｎｏ、４）。第５図は上記提案されて
いる手法のブロック図を示す。第５図において、遅延器
１２７、加算器１２６により積分器４１が構成され、こ
の積分器４１と加算器５、局部量子化器１０３、加算器
５、遅延器４、減算器４０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２０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４３が
構成され、また、加算器１２２と遅延器１２３により積
分器４５が構成され、これら積分器４３．４５と減算器
４２．４４、局部量子化器６、遅延器４６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２１が構成されている。こ
のサブループ２１の減算器４２には、減算器２により局
部量子化器＋０３の入出力差と遅延器４６により遅延出
力が与えられ、減算器４４には積分器４３の出力と遅延
器４６の出力が与えられている。 また、積分器４３の出力は乗算器４７により係数ａが掛
は合わされた後加算器５を用いて局部量子化器１［１３
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で規格化しており、出力＝２の
とき、すなわち、３２７６８がＯｄＢに相当する。また
、乗算器４７の係数ａは０，５としている。 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２０の入力Ｘ１出力
Ｑ１の関係は（１）式のとおり表わされる。 第 表 第 表 Ｑ　１　＝Ｘ＋（１−ｚ−１）・ＶｑＩ　　　　　　ｆ
ｌ）また、サブループ２１の入力Ｘ′、出力Ｑ２の関係
は（２）式が成り立つ。 Ｑ２＝Ｘ’　＋　（１−ｚ−１）　２・Ｖｑ２　　　　
（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２１の８力Ｑ２を減算器１３、遅延
器１４で構成される微分器１０によりメインループ２０
の局部量子化器１０３のシェーピング次数に応じて微分
した後、加算器１２によりメインループ２０の出力Ｑ１
と加算すると、（１）式に示すＶｑｌの項か打ち消され
、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２１の階調が±０５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４７により積分器４３の値が加
算器５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４３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４２を介して積分器４３に与えられてい
るが、減算器４２のもう一方の入力は、高々０．５であ
るので、積分器４３には負の大きな値が入力され、徐々
に積分器４３の出力は小さくなる。 このように、積分器４３の値が小さくなる方向でメイン
ループ２０に対してフィードバックをかけてやることで
積分器４５の値も小さく抑えることができ、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、すなわち階調は−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、ＯｄＢ入力の場合
、すなわち、信号振幅が３２７６８に近くなると乗算器
４７および加算器５によるフィードバックがうまく利か
なくなり、結果として、ノイズレベルが増加するととも
に高調波歪を発生し、第５図に示す回路においては、ノ
イズレベルで約２５ｄＢ悪化する。これを避けるために
は、入力信号Ｘの最大値をＯｄＢ以下にせねばならず、
結果としてダイナミックレンジが悪くなるという問題が
あった。 本発明は上記の問題を解決するもので、ＯｄＢの信号が
入力されても特性が劣化することのない量子化器を提供
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、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を入力とし、与えられた
入力の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、前記第２のノイズシェーピング型量
子化器の内部状態を前記第１のノイズシェーピング型量
子化器内の局部量子化器に対して帰還をかけ、前記第２
のノイズシェーピング型量子化器を正常に動作させる手
段と、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す
る微分器と、この微分器出力と前記第１のノイズシェー
ピング型量子化器出力とを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量子化器にお
いて、前記微分器の状態に基き、前記局部量子化器出力
の上限値、下限値を制御するようにしたものである。 作用 上記構成により、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を入力とし、与えられた入力のノ
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
子化器を正常に動作させるために、第２のノイズシェー
ピング量子化器の内部状態を第１のノイズシェーピング
型量子化器の局部量子化器に対して帰還をかけ、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する微分器の出力と
、第１のノイズシェーピング型量子化器の出力とを加算
して、この加算結果を出力として取り出すときに、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
の出方の上限値、あるいは下限値を微分器の状態に応じ
て拡大あるいは縮小するように制御するので、量子化器
全体としての出力の階調の増加かなく、メインループの
発生する量子化誤差の符号がランダム化され、メインル
ープの発振を防止することができる。また、サブループ
においても、同様に発振を防止することができる。 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図は本発明による量子化器の概念を示すブロック図
である。第１図において、メインループ２０は第５図に
示した従来例のメインループ２０と同様、単積分型ノイ
ズシェーピングを行うもので、局部量子化器２３のみが
異なっている。サブループ２１は第５図に示したサブル
ープ２１と同様のものである。１０は微分器である。局
部量子化器２３は入力される信号に対して、たとえば、
第３表に示されるとおりの量子化を行う。ただし、Ｏｄ
Ｂは従来例の場合と同様３２７６８である。 サブループ２１の出力はここでは第２表と同様に十０．
５、−０．５のいずれかであるので、微分器１０の出力
は−１，０、＋１である。局部量子化器２３は微分器１
０の状態、ここでは微分器１０の出力値に応じて出力の
上限値、下限値を変化させ、たとえば、第４表に示すと
おり、微分器ＩＯによる制御入力が＋１の場合は出力の
上限値が＋２となり、微分器１０の出力が−１の場合に
は出力の下限値が−２となるようになっている。ここで
微分器ＩＯ比出力ついて考えると、微分器１０に入力さ
れる値は−０，５、＋０．５の２とおりのみであるので
、今、微分器１０出力が＋１であったとすると、次の出
力値は必ず０以下となる。何故ならば、微分器１０出力
が＋１であるということはその入力が＋１増加したこと
を意味する。入力が−０，５、＋Ｉ］、５の２とおりで
あるので、＋１を出力するためには、−０，５、＋０．
５の順で入力されていなければならず、この次にどのよ
うな値が入力されようとも０以下の値が出力されること
になる。つまり、２度に１度は必ず局部量子化器２３が
＋３以上、あるいは、−３以下という値を出力すること
ができることを意味する。 〈以下余白〉 第 表 第 表 このように構成することにより、 従来のＯｄＢ以 上の入力が与えられても、 メインループの発生す る量子化誤差Ｖｑｌは単調増加にならず、より大きな入
力に対しても正常に動作することができ、しかも量子化
器全体の出力値は−３〜＋３の７値に抑えられた状態で
、従来例と比較して階調が増加することもない。 第２図は本発明による量子化器の具体的な他の実施例を
示すブロック図である。なお、この図において第１図、
第５図と同一機能を有するものについては同一の記号を
付し詳細な説明は省略する。 第２図において、減算器４０、積分器４１．加算器５、
局部量子化器１、遅延器４によって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２０が構成され、
減算器４２．４４、積分器４３．４５、局部量子化器６
、遅延器４６によって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２Ｉが構成される。また、微分
器１０はレジスタからなる遅延器１４と減算器１３によ
って構成されており、本実施例ではメインループ２０の
局部量子化器１が遅延器１４の出力によって制御される
ようになっている。局部量子化器１は第３図に示される
ように局部量子孔型３１とその出力を制限するリミッタ
３２からなる構成になっており、局部量子化器３１は第
５表に示すとおりの量子化を行う。 第５表 また、リミッタ３２は遅延器１４の出力に応じて以下に
示すとおりの出力値の制限を行う。 遅延器１４出力＝＋０．５　　ならば 出力上限値＝３、出力下限値−一２ 遅延器１４出力＝−０，５ならば 出力上限値＝２、出力下限値−一３ ここで、入力ＸとしてＯｄＢ、たとえば直流値で３２７
６８が入力された場合について考入ると、

【遅延器１４
出力＝＝０．５の場合】 積分器４３出力が正であれば、局部量子化器１は３を出
力するところであるが、リミッタ３２により２を８カす
る。よってＶｑｌは徐々に小さな値となるｏ−Ｖｑｌが
サブループ２１に入力されるため、積分器４３の値は徐
々に大きくなる方向となる。よって、積分器４５の値も
徐々に大きくなり、少なくとも正になった時点で局部量
子化器６が＋０．５を出力する。よって遅延器１４出力
は次のタイミングで十〇、５となり、局部量子化器１出
力の上限値が３となり、サブループ２１は歪むことなく
正常に動作する。また、積分器４３出力の値が負の場合
は局部量子化器１は２を出力するので問題はない。 【遅延器１４出力＝＋［１，５の場合１局部量子化器１
は本来出力すべき＋３を出力し、次いで、＋２を幾度か
出力する。局部量子化器１の出力に対して何等制限が加
わらないため、まったく正常に動作することは明かであ
る。 このように構成することにより、量子化器全体としての
出力階調を増やすことなく最大ＯｄＢの入力信号を与え
ることが可能となり、６４倍オーバーサンプリングで動
作させた場合のＯｄＢ入力時のダイナミックレンジとし
て約１１８ｄＢが得られる。 なお、上記実施例において、局部量子化器１としてはＯ
ｄ［１が３２７６８で、−３〜＋３の７値を８力するも
のを用いたが、熱論これに限ったものではないことは言
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
ループ内にある局部量子化器がサブループに接続される
微分器の状態によって出力の上限値、下限値が制御され
るものであれば良い。 第４図は本発明による量子化器のさらに他の実施例を示
すブロック図である。なお、この図において第１図〜第
３図および第５図と同一機能を有するものについては同
一の記号を付し詳細な説明は省略する。第４図において
、加算器３．５、局部量子化器５１．減算器２、遅延器
４によってメインループが構成され、加算器７、局部量
子化器５２、減算器８、帰還回路９によってサブループ
が構成される。また、微分器１０は遅延器１４と減算器
１３によって構成されており、本実施例では局部量子化
器５Ｉが遅延器１４の出力によって制御されるようにな
っている。局部量子化器５１は第３図に示されるものと
同様の構成になっているが、局部量子化器３１の部分が
第６表に示すとおりの量子化を行う。 よって、ＯｄＢは３３７９２である。なお、出力は１１
２６４で規格化している。また、リミッタ３２は遅延器
１４の出力に応じて以下に示すとおりの出力値の制限を
行う。 遅延器１４出力＝＋１　ならば 出力上限値＝５、出力下限値−一３ 遅延器１４出カー〇　　ならば 出力上限値＝４、出力下限値−一４ 遅延器１４出力＝−１ならば 出力上限値＝３、出力下限値−一５ また、局部量子化器５２は第７表に示すとおりの量子化
を行う。 第 表 第 表 帰還回路９は（５）式に示すとおりのＨ（りなる伝達関
数を有している。 一２ｚ＝＋２，５　ｚ’−ｚ−３ Ｈ（り　　−（５） １−　ｚ−”　＋０．５　　ｚ−２ ちなみに、この帰還回路９の伝達関数Ｈ（ｚ）が（６）
式のとおりであれば、第２図に示したサブループ２１と
同様の演算を行うこととなる。 Ｈｉ）＝−２ｚ−１＋ｚ−２（６） 次に第４図に示す量子化器の動作について説明ると、局
部量子化器５１人力をＰ１同出力をＱｌとすると、（７
）式のとおり表わされる。 Ｑ　１　＝　　［（Ｐ　＋５６３２）　　／１１２６４
　コ　　　　　　　　（７）ただし［］はガウス記号で
ある。ここで、メインループの発生する量子化誤差Ｖｑ
ｌの値は加算器３出力を０１帰還回路９による帰還量を
βとして、（７）式より、 ＶＱＩ＝　［（Ｃ十β＋５６３２）　／１１２５４コ　
−１１２６４−Ｃ（Ｉｔ）となる。局部量子化器５２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＋Ｃ−［（Ｃ＋β＋５６３２）／
１１２６４］・＋１２６４（９）式は、Ｐ′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５２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５２が発生す
る量子化誤差をＶＱ２として、 となり、加算器１２の出力Ｙは Ｙ＝Ｑ１＋　（１−ｚ−’）　　・ となり、低域で４次のノイズシェーピングが得られ、３
２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。 しかも、このように微分器１０の状態に応じて局部量子
化器５１の上限値、下限値を増加させるようにしである
ので、入力ＸとしてＯｄＢの信号を与えても帰還回路９
によるフィードバックが可能であるため、サブループが
発振したりすることなく安定に動作する。 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
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、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
化誤差を入力とし、与えられた入力のノイズシェーピン
グを行う第２のノイズシェーピング型量子化器と、前記
第２のノイズシェーピング型量子化器の内部状態を前記
第１のノイズシェーピング型量子化器内の局部量子化器
に対して帰還をかけ、前記第２のノイズシェーピング型
量子化器を正常に動作させる手段と、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する微分器と、この微分器
出力と前記第１のノイズシェーピング型量子化器出力と
を加算する手段とを備え、この加算結果を出力として取
り出すようにした量子化器において、前記微分器の状態
に基き、前記局部量子化器出力の上限値、下限値を制御
するようにしたことにより、ＯｄＢの信号が入力された
場合は言うにおよばず、たとえ、ＯｄＢをやや超えるよ
うな信号が入力されても、回路が発振することなく、常
に安定に動作する量子化器を提供することができるとい
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概念を示すブロック図
、第２図は本発明による量子化器の具体的な他の実施例
を示すブロック図、第３図は同量子化器における局部量
子化器の具体的な一実施例を示すブロック図、第４図は
本発明による量子化器のさらに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である。 １、　６．２３．５１．５２・・・局部量子化器、４．
４６・・・遅延器、９・・・帰還回路、１０・・・微分
器、１３・・・減算器、１４・・・遅延器、２０・・・
メインループ（第１のノイズシェーピング型量子化器）
、２１・・・サブループ（第２のノイズシェーピング型
量子化器）、４７・・・乗算器。 第 図 ２／ ＪＩＩＪＩ１５ｔ！イ巳、χ５、 第 図 第４図 ｆ−・帰還＠区 ｒ／、　ｔ２−Ｊ）Ｑ量）♂乙オに

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入力信号の量子化を行う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、前記第１のノイズシェーピン
   グ量子化器が発生する量子化誤差を入力とし、与えられ
   た入力の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、前記第２のノイズシェーピング型
   量子化器の内部状態を前記第１のノイズシェーピング型
   量子化器内の局部量子化器に対して帰還をかけ、前記第
   ２のノイズシェーピング型量子化器を正常に動作させる
   手段と、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
   する微分器と、この微分器出力と前記第１のノイズシェ
   ーピング型量子化器出力とを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量子化器で
   あって、前記微分器の状態に基き、前記局部量子化器出
   力の上限値、下限値を制御するように構成した量子化器
   。 ２、微分器が遅延器と遅延器入力から遅延器出力を減算
   する減算器によって構成され、前記遅延器の値に基づい
   て前記局部量子化器の出力値の上限値、下限値を変化さ
   せるように構成した請求項１記載の量子化器。