JPH0779259B2 - 量子化器 - Google Patents

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 of solid state circuit,
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11
1、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1
06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の出力が乗算器1
30により係数ａが掛け合わされた後、加算器５を用いて
局部量子化器103入力に加算されている。ここでは、入
力Ｘは16ビットのディジタル信号であり、局部量子化器
103,111は第１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0dBに相当する。また、乗算
器130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Vq1、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Q1との関
係は（１）式のとおり表わされる。

Q1＝Ｘ＋（１−z^-1）・Vq1 …（１） 一方、サブループ106の入力Ｘ′と出力Q2との関係は
（２）式になる。

Q2＝Ｘ′＋（１−z^-1）^２・Vq2 …（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′＝−Vq1 …（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Vq1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^-1）^３・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
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、Q1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、 或は、 或は、 或は、 或は、 或は、 或は、 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
なくとも、１、0.5、0.25、0.125、0.0625（1/2^N）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の応じて、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。

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
いく。乗算器41,42,43によってK1倍,K2倍,K3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44,45,
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41〜45の係数K1,K2,K3,−A,
−B,−Ｃは（５）式よりK1＝−2.0625、K2＝2.5、K3＝
−１、Ａ＝−0.9375、Ｂ＝0.5、Ｃ＝０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。

このようにして帰還回路９の出力に応じて局部量子化器
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Vq1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、この局部量子化器１の出力Q1は（14）式のとおり
となる。

Q1＝Ｘ＋（１−z^-1）Vq1 …（14） 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Vq1
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〜＋11264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Vq1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−16
896〜＋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、安全に動作す
ることがわかる。同数にして、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てある。

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、 よって、加算器12の出力Ｙは 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、1/2Fs、0dB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無論これに限
ったものではなく、８値以上、或は、６値以上のもので
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Vq1の値の制御
方法については、局部量子化器１入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,K1,K2,K3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（1/2）^Ｎ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、ハードウエ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。

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
示すブロック図、第３図は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
器の出力スペクトルを示すスペクトル図、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、９……帰還回
路、10……微分器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−289709（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30619（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289810（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289808（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30618（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289809（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30620（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−83150（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許5124703（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開450984（ＥＰ，Ａ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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 とした量子化器。
2. 【請求項２】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
3. 【請求項３】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
4. 【請求項４】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
5. 【請求項５】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
6. 【請求項６】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
7. 【請求項７】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
8. 【請求項８】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。
9. 【請求項９】帰還回路の伝達関数Ｈ（ｚ）を とした請求項１記載の量子化器。