JPH0456407A - 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
コスト化が更に重要となってきている。これらの目的の
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号公報の「量子
化器」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
ができるが、シェーピング次数を上げると量子化器出力
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５図にそのブロック図を示しそ
の説明を行う（例えば、ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ
ｆ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　ｃｌｒｃｕｉｔ、　Ａｕ
ｇ、　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５、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で積分器１０８、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１１１、
積分器１０８，１１０、遅延回路１１２により二次のシ
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１
０３の入出力の差が与えられている。また、積分器１０
８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Ｓを用いて局部量子化器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１０３，１１１は第工表及び
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、即ち
、３２７６８がＯｄＢに相当する。また、乗算器１３０
の係数ａは０．５としている。

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Ｖｑｌｌ　局部量子化器１１１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と出力Ｑｌとの関係は（１）式のとおり表わされる。

Ｑｌ　＝　Ｘ　＋（１−ｒ’）・Ｖｑｌ　　　　　　・
＜１）一方、サブループ１０８の入力Ｘ”と出力Ｑ２と
の関係は（２）式になる。

Ｑ２＝　　Ｘ’＋（ｆ　−ｚ−’）２・Ｖｑ２　　　　
　　＝１２）ここで、加算器２の出力は局部量子化器１
０３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Ｑｌ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の２値である
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。即ち、乗算器１３０により積分器１０８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１０
７を介して積分器１０８に与えられているが、減算器１
０７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１
０８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に対してフィートノくツクをかけてやる
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１１１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、即ち階調は−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。即ち、入
力信号が７値（３ビット弱）に圧縮されたことを示して
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 帰還が初段の積分器である積分器１０８の出力より掛か
っており、以降の積分器である積分器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、或は
、オーバーフローの防止策が無いに等しい。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、より高い次数のノイズシ
ェーピングを行う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
部量子化器に入力し、前記帰還回路の出力レベルに基づ
き、前記第１の局部量子化器が発生する量子化誤差の値
を制御し、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
微分して加算し、その加算結果を出力として取り出すよ
うにし、前記帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を或は、 −２，１２５ｒ’＋２．５ｚ−２−ｚ−３−２ｒ’　＋
　２．５Ｇ２５ｚ−２−１，０Ｅｉ２５ｚ−’１−０．
８７５ｒ’　＋　０．５ｚ−２或は、 １−ｚ−’＋０．５ｚ−２−０．１２５ｚ−３或は、 １−０．７５ｒ’＋０．４３７５ｚ−２或は、 １−０．８７５ｒ’　＋　０．５ｚ−２＋　０．０Ｇ２
５ｚ−３・・・（９） 或は、 １−０．８２５ｚ−’　＋０．３７５ｚ−２或は、 １−０．７５ｚ−’＋０．３７５ｚ−２＋０．＋２５ｚ
−”・・・（１１） 或は、 ・・・（１２） 或は、 としたものである。

作用 上記のように、サブループ内の帰還回路の伝達関数を（
５）〜（１３）式となるようにしたことにより、帰還回
路の利得が３程度に抑えられ、サブループのシェーピン
グ次数が低域では３次であるが高域では２次となるため
発振を抑えながら、量子化器全体として低域で４次のノ
イズシェーピングを得ることができる。また各係数が少
な（とも、１．０．５．０．２５．０．１２５、ｏ、ｏ
ｓ２ｓ　（１／　２”）の何れかの和、或は、差で表わ
される為、本帰還回路をビットシフトと加減算器のみで
構成することができる。

また、帰還回路出力のレベルに応じて、メインループに
おける局部量子化器を制御し、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となるようにしてい
るため、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階調を減らすことができる。

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。

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。

以下、余白 第３表 第４表 ９は帰還回路であり、減算器８により算出される局部量
子化器６の入力出力の差、即ち、局部量子化器６の量子
化誤差Ｖｑ２を入力としており、その伝達関数Ｈ（ｚ）
は（５）式に示すとおりである。具体的には、第２図に
示すとおりの構成となっている。

つまり、入力Ｖｑ２が遅延回路３１に与えられ、遅延回
路３２．３３と順次シフトされてい（。乗算器４１，４
２．４３によってに１倍、に２倍、に３倍された各遅延
回路出力と、遅延回路３４，３５．３６出力を乗算器４
４，４５．４６によって−Ａ倍、−Ｂ倍、−Ｃ倍した値
を加算器５１〜５５によって加算し、出力するとともに
遅延回路３４に入力している。ここで、乗算器４１〜４
５の係数Ｋｌ、　　Ｋ２．　　Ｋ３．　−Ａ、　　−Ｂ
、　　−Ｃは（５）式よりＫ　１　＝　−２，０Ｇ２５
、Ｋ２：２．５、Ｋ３ニー１．Ａニー０．９３７５、Ｂ
：ｏ、５、Ｃ＝Ｏである。実際にはこれら乗算器はビッ
トシフトと加算器で構成されるため、回路規模はかなり
小さく抑えられる。第３図（Ａ）に帰還回路９の周波数
特性を示す。また、第１図において、１１は振幅検出器
であり、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を出力するもので、量子化器の一種と
も考えられる。ここでは、入力βに応じて第５表に示す
とおりの値を出力する。

第５表 このようにして帰還回路９の出力に応して局部量子化器
１が発生する量子化誤差の値を制御するようにしている
。

次に、第１図に示す回路の動作について説明する。加算
器３、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及び局部量子化器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
／＜・ツクされ、この局部量子化器１の出力Ｑｌは（１
４）式のとおりとなる。

Ｑｌ　＝　　Ｘ　　＋（１−ｚ−’）・Ｖｑｌ　　　　
　−（１４）一方、局部量子化器ｅ１　　加算器７、減
算器８、帰還回路９により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とメインループの発生
する量子化誤差Ｖｑｌの差であるので、先ず、振幅検出
器１１に入力される帰還量βが−１１２６４〜＋１１２
６４の場合について考えると、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が出力する量
子化誤差Ｖｑｌは−５６３２〜＋５６３２の範囲にある
。よって、局部量子化器６の入力Ｐの値は−１６８９６
〜＋１６８９６の範囲、即ち、１１２６４で規格化する
と、１．５〜＋１．５の範囲にある。よって、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６表に示すとおりになる。

但し、この表には、各数値を１１２６４で規格化した値
を記しである。

以下、余白 第６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第３図からも明らかなように２
．８４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
ることは殆どないと言える。よって、この量子化器の初
期値として帰還量βを０に設定すれば、この量子化器は
安定に動作し、サブループによる歪の発生を抑えること
ができる。よって、この回路においては、局部量子化器
６出力をＱ２、局部量子化器６が発生する量子化誤差を
Ｖｑ２として、 ・・・（１５） よって、加算器１２の出力Ｙは Ｙ＝Ｑｌ＋（１−ｚ〜１）・Ｑ２ ・・・（１６） となり、４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±１．０の３値であ
るので、最終出力Ｙは−５〜＋５の１１値となる。

以上のように、帰還回路９として（５）式に示す伝達関
数のものを用い、局部量子化器６、振幅検出器１１を第
５表、第６表のとおり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１２０ｄＢのダイナミッ
クレンジを得ることができる。第４図に本実施例による
量子化器に対し、＋ＦＳＮ　　ＯｄＢの正弦波を入力し
た場合のスペクトル図を示す。

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熱論これに限
ったものではなく、８値以上、或は、６値以下のもので
あって良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、サブループ出力をメインループ出力と加算す
るときにメインループの次数に応じた微分を行えば良い
ものである。更に、振幅検出器１１によるＶｑｌの値の
制御方法については、局部量子化器１人力に対して振幅
検出器１１出力を加算する方法を示したが、振幅検出器
１１がその入力に対して−２〜＋２の値を発生し、局部
量子化器１出力に加算するようにしても良く、また、振
幅検出器１１出力に応じて、局部量子化器１がその閾値
を変化させるようにしても良いものである。要はメイン
ループで発生される量子化誤差が、サブループにおける
量子化誤差の帰還量と打ち消す形になれば良いものであ
る。

次に、帰還回路９として（６）〜（１３）式に示される
伝達関数のものを用いた場合について説明する。帰還回
路９の構成としては第２図に示されるもので良く、この
ときの各乗算係数Ａ、　　Ｂ、　　Ｃ。

ＫＬ　　Ｋ２．に３を第７表に示す。（６）〜（１３）
式の何れの場合も、（５）式の場合と同様、各係数は（
＋）Ｈの和、或は差で表わされるため、各乗算器４１〜
４５はビットシフトと加減算器のみによって構成するこ
とができ、ハードウェアの規模の増加を抑えることがで
きる。第３図（Ｂ）〜（Ｉ）に各（６）〜（１３）式に
よる伝達関数Ｈ（ｚ）の周波数特性を示す。また、第７
表に（６）〜（１３）式を用いた場合の帰還回路９の最
大利得と、この量子化器を３２倍オーバーサンプリング
で用いたときに得られるダイナミックレンジを併せて示
す。

以上示されるとおり、（６）〜（１３）式を用いても（
５）式を用いた場合と同様、サブループが発振すること
なく低域で４次のノイズシェーピング効果を得ることが
でき、より大きなダイナミックレンジを得ることができ
る。

第７表 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の局部量子化器と、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、前記検出手段出力を（５）〜（１３）式に示され
る伝達関数Ｈ（ｚ）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レベルに
基づき、前記第１の局部量子化器が発生する量子化誤差
の値を制御し、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じ
て微分して加算し、その加算結果を出力として取り出す
ようにしたことにより、回路が発振などを起こすことな
く低域で４次のノイズシェーピング効果を得ることがで
き、このためより大きなダイナミックレンジを得ること
が可能とな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実施例を示すブロック
図、第２図本発明における帰還回路の具体的な実施例を
示すプロ・ツク図、第３］嘘各種伝達関数による周波数
に対する利得を表す特性図、第４図は本発明による量子
化器の出カスベクトルを示すスペクトル図、第５図は従
来の量子イヒ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。 代理人の氏名　弁理士　粟野　重孝　（より）１名１）
は 区 Ｌ−一一一一一一一 」 Ｊ 性 Ｋ　　ロ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力信号の量子化を行う第１の局部量子化器と、 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し、前記帰還回路の出力レベルに
   基づき、前記第１の局部量子化器が発生する量子化誤差
   の値を制御し、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
   量子化器の出力を前記第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し、その
   加算結果を出力として取り出すようにし、 前記帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２．０６２５ｚ＾−＾１＋２．５ｚ＾−
   ＾２−ｚ＾−＾３）／（１−０．９３７５ｚ＾−＾１＋
   ０．５ｚ＾−＾２）とした量子化器。
2. （２）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２．１２５ｚ＾−＾１＋２．５ｚ＾−＾
   ２−ｚ＾−＾３）／（１−０．８７５ｚ＾−＾１＋０．
   ５ｚ＾−＾２）とした請求項１記載の量子化器。
3. （３）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２ｚ＾−＾１＋２．５ｚ＾−＾２−０．
   ８７５ｚ＾−＾３）／（１−ｚ＾−＾１＋０．５ｚ＾−
   ＾２−０．１２５ｚ＾−＾３）とした請求項１記載の量
   子化器。
4. （４）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２．２５ｚ＾−＾１＋２．５６２５ｚ＾
   −＾２−ｚ＾−＾３）／（１−０．７５ｚ＾−＾１＋０
   ．４３７５ｚ＾−＾２）とした請求項１記載の量子化器
   。
5. （５）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２．１２５ｚ＾−＾１＋２．５ｚ＾−＾
   ２−１．０６２５ｚ＾−＾３）／（１−０．８７５ｚ＾
   −＾１＋０．５ｚ＾−＾２＋０．０６２５ｚ＾−＾３）
   とした請求項１記載の量子化器。
6. （６）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２．３７５ｚ＾−＾１＋２．６２５ｚ＾
   −＾２−ｚ＾−＾３）／（１−０．６２５ｚ＾−＾１＋
   ０．３７５ｚ＾−＾２）とした請求項１記載の量子化器
   。
7. （７）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２．２５ｚ＾−＾１＋２．６２５ｚ＾−
   ＾２−１．１２５ｚ＾−＾３）／（１−０．７５ｚ＾−
   ＾１＋０．３７５ｚ＾−＾２＋０．１２５ｚ＾−＾３）
   とした請求項１記載の量子化器。
8. （８）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２ｚ＾−＾１＋２．５６２５ｚ＾−＾２
   −１．０６２５ｚ＾−＾３）／（１−ｚ＾−＾１＋０．
   ４３７５ｚ＾−＾２＋０．０６２５ｚ＾−＾３）とした
   請求項１記載の量子化器。
9. （９）帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を Ｈ（ｚ）＝（−２ｚ＾−＾１＋２．５ｚ＾−＾２−ｚ＾
   −＾３）／（１−ｚ＾−＾１＋０．５ｚ＾−＾２）とし
   た請求項１記載の量子化器。