JPS6337974B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、演算のダイナミツクレンジに対する
オーバーフロー処理を行うと共に、オーバーフロ
ー時にはフイルタの利得制御を行うようにしたデ
イジタルフイルタ装置に関する。 従来より、乗算器、加算器、遅延回路等より成
るデイジタルフイルタ装置が種々考えられてい
る。しかして、このデイジタルフイルタ装置、特
に、巡回形デイジタルフイルタ装置に於ては、演
算のダイナミツクレンジを越えて、オーバーフロ
ーが生じた場合は、フイルタは発振状態となり誤
動作をする等非常に不都合を生じる。従つて、デ
イジタルフイルタ装置においては、オーバーフロ
ーを可能な限り生じないようにする為、予めダイ
ナミツクレンジを広くとつておき、演算を行つて
いた。 その為、通常状態で、デイジタルフイルタ装置
を動作せしめたならば、データの上位ビツトはほ
とんど有効利用がなされず、極めて不経済であ
り、また、デイジタルフイルタ装置の入、出力間
の雑音比の悪化をまねいていた。更に、デイジタ
ルフイルタ装置は、その入力ビツト数に比べ、出
力ビツト数が大となり、例えば、デイジタルフイ
ルタ装置の出力をＤ−Ａ変換器に供給する場合
は、Ｄ−Ａ変換器の処理ビツト数を大とせねばな
らず、また上記デイジタルフイルタ装置をカスケ
ード接続することは上記入、出ビツト数の不一致
により事実上不可能であつた。 しかるに、このようなデイジタルフイルタ装置
を用いて、選択した周波数において、その振幅特
性にピークをもたせるレゾナンス特性を実現せし
めた際は、上述した如く、ダイナミツクレンジを
非常に広くとらねばならず、全く不経済な回路構
成とならざるを得ず、また、その回路規模が大と
なるに従い、対雑音比の悪化をまねく等、種々の
問題点があつた。 本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、
振幅特性の最大値を常に一定に保ち、オーバーフ
ローが生じた場合は、フイルタの全体の利得を減
少せしめるようにしたデイジタルフイルタ装置を
提供することを目的とする。 以下、本発明の一実施例につき、詳細に説明す
る。第１図は、本実施例のデイジタルフイルタ装
置の回路構成を示すものである。尚、デイジタル
フイルタの伝達関数Ｈ（Ｚ）は、アナログフイル
タの伝達関数Ｈ（Ｓ）からある種の変換により求
められるが、本実施例の場合、２次のアナログの
ローパスフイルタの伝達関数から、双一次Ｚ変換
を行うことにより、次式の伝達関数Ｈ（Ｚ）を得、 Ｈ（Ｚ）＝Ｋ・（１＋Z^-1）²／１＋b₁Z^-1＋b₂Z^-2……
式(1) この伝達関数Ｈ（Ｚ）に基き、デイジタルフイル
タ装置を構成するものである。ただし、上式(1)に
おいて、係数b₁，b₂は、フイルタの特性に関する
係数であり、極の位置が決定され、係数Ｋは、フ
イルタの全体の利得を決める係数である。 しかして、図中１は乗算器で、加算器２から供
給される係数K′に基き入力データをK′倍して、
加算器３に供給する。そして、この加算器３の出
力は後述する桁あふれ処理回路４に供給され、オ
ーバーフロー処理された後、単位時間の遅延を行
う遅延回路５に供給されると共に、この桁あふれ
処理回路４の出力は、加算器６に供給される。更
に、この加算器６には、上記遅延回路５出力が乗
算器７にて２倍されて供給され、これ等のデータ
を加算して、その結果データを加算器８に供給す
る。 また、上記遅延回路５出力は乗算器９にてb₁倍
されて加算器１０に供給されると共に、単位時間
の遅延を行う遅延回路１１に供給される。そし
て、この遅延回路１１出力は、直接加算器８に供
給されると共に、乗算器１２に供給されるb₂倍さ
れて加算器１０に与えられる。 加算器１０では、上記乗算器９出力と乗算器１
２出力の各々を減算して、加算器３に印加する。
従つて、上記加算器３は、乗算器１出力と加算器
１０出力を加算する。 また、図中１３は、後述する如き利得制御回路
であり、この出力は、加算器２に供給され、係数
Ｋを減少せしめる程度を制御することにより、フ
イルタの利得を制御するものである。 このように構成されたデイジタルフイルタ装置
の出力は、加算器６出力と、遅延回路１１出力を
加算する上記加算器８の出力である。 尚、上記、加算器２、乗算器９，１２に供給さ
れる係数Ｋ，b₁，b₂は、ROM（リードオンリメモ
リ）より与えられるもので、カツトオフ周波数に
応じたデータとなる。また、上記デイジタルフイ
ルタ装置の演算処理は、２の補数表現で、全てパ
ラレルに行われ、その信号伝搬ラインもパラレル
に設けられている。 次に、上記桁あふれ処理回路４の概略につき説
明する。即ち、乗算器１から加算器３に対する入
力信号の絶対値が１未満のデータであるとして、
次の仮定、即ち「デイジタルフイルタ装置の出力
の絶対値は１未満のデータである。」という仮定
をする。 更に、フイルタが、安定して動作する為に、伝
達関数の極が全てＺ平面上の単位円にあるという
必要性より、上記係数b₁，b₂の満足すべき条件を
下式(2)，(3)の如く得る。 ｜b₁｜＜２ ……式(2) ｜b₂｜＜１ ……式(3) そこで、いま、桁あふれ処理回路４の出力の絶
対値をｄ未満とすると、乗算器７出力の絶対値は
2d未満となり、従つて加算器６出力の絶対値は
3d未満となり、よつて、加算器８出力の絶対値
は4d未満となる。従つて、上記仮定を満足する
ようにするには、上記データｄは、ｄ＝1/4とせ
ざるを得ない。 このように、ｄ＝1/4とすると、このデイジタ
ルフイルタ装置の巡回経路内での各データの大き
さは第１表のようになる。

【表】 従つて、桁あふれ処理回路４に対する入力の絶
対値は7/4未満のデータとなり、桁あふれ処理回
路４では、この入力データに対し出力データ絶対
値が1/4未満のデータとなるように制御するもの
である。 以下、この桁あふれ処理回路４の詳細につき第
２図を参照して説明する。この桁あふれ処理回路
４の入力は、上述したように、その絶対値が7/4
未満である為、小数点以上は２ビツト（そのうち
上位ビツトは符号ビツトである）であり、また、
小数点以下を８ビツトとする。このデータのう
ち、小数点以下の第２ビツト以下第８ビツトは、
トランスフアゲート２１〜２７に供給され、小数
点以下第１、第２ビツト及び小数点以上第１ビツ
ト、第２ビツトはアンドゲート１４へ直接供給さ
れると共に、インバータ１５〜１８を介してアン
ドゲート１９に供給される。そして、このアンド
ゲート１４，１９の出力はオアゲート２０を介し
て、上記トランスフアゲート２１〜２７の開成信
号となると共にインバータ２８を介して後述する
トランスフアゲート３０〜３６の開成信号とな
る。 即ち、上記トランスフアゲート３０には、上記
入力データの小数点以上第２ビツトである符号ビ
ツトが供給され、上記トランスフアゲート３１〜
３６には上記符号ビツトがインバータ２９にて反
転された信号が各々供給される。 そして、上記オアゲート２０出力が“１”の場
合は、トランスフアゲート２１〜２７の出力が桁
あふれ処理回路４の出力となり上記オアゲート２
０出力が“０”の場合は、トランスフアゲート３
０〜３６の出力が桁あふれ処理回路４の出力とな
る。尚、桁あふれ処理回路４からは、最上位ビツ
トとして符号ビツトが、その第２ビツト〜第７ビ
ツトとして「2^-3」〜「2^-8」の重み付けされたデ
ータが出力される。更に、上記インバータ２８出
力、即ち、入力の絶対値が1/4を越えた場合に信
号“１”が出力されるオーバーフロー信号は、利
得制御回路１３に供給される。 次に、第３図を参照して、上記利得制御回路１
３の詳細につき説明する。上記インバータ２８出
力は、全加算器（フルアダー）４０〜４９の一方
の入力端Ａに各々与えられると共に、インバータ
５０にて反転された信号が、全加算器４０のキヤ
リー入力端ｃに与えられる。更に、この加算器４
０〜４９の他方の入力端Ｂには、この全加算器４
０〜４９の出力端Ｓから出力された信号が、遅延
回路５１を介して単位時間遅延され、その出力の
最上位ビツト（符号ビツト）が直接、第10ビツト
以上第２ビツト（「2^-9」〜「2^-1」に重み付けさ
れる。）がアンドゲート５２〜６０を介して印加
される。 尚上記加算器４０〜４８では、そのキヤリー出
力端COより、各々上位ビツト側全加算器４１〜
４９のキヤリー入力端Ｃにキヤリー信号が与えら
れる。 そして、上記アンドゲート５２〜６０の一端に
は、遅延回路５１の符号ビツト出力が印加されて
おり、この出力が“１”、即ち、出力値が負数の
場合に限り、上記アンドゲート５２〜６０を介し
て、遅延回路５１から印加される第10ビツト〜第
２ビツト出力を上記全加算器４０〜４８に供給す
ると共に、第１図の算器２に印加するようにして
いる。 次に、本実施例の動作につき説明する。即ち、
先ず、第４図を参照して桁あふれ処理回路４の動
作につき説明する。第４図Ａは、桁あふれ処理回
路４に対する入力データの絶対値が1/4より小の
場合、即ち正の値のときは、小数点以下第２ビツ
ト以上の４ビツトがオール０であり、負の値のと
きは、上記４ビツトがオール１である為、第２図
のアンドゲート１４またはアンドゲート１９より
信号“１”が出力されることになり、従つてトラ
ンスフアゲート２１〜２７が開成され、入力デー
タが、そのまま出力データとなる。 また、第４図Ｂは、桁あふれ処理回路４に対す
る入力データの絶対値が1/4以上1/2未満の場合で
あり、このときは、上記オアゲート２０出力は
“０”となる為、トランスフアゲート３０〜３６
が開成されることになる。従つて、この桁あふれ
処理回路４に対する入力データが正値の場合は、
符号ビツトのみを“０”とし、他のビツトを全て
“１”として、出力することになり、他方、上記
入力データが負値の場合は、符号ビツトのみを
“１”とし、他のビツトを全て“０”として出力
することになる。よつて、この場合は、桁あふれ
処理回路４の出力は、正の場合ダイナミツクレン
ジの最大値となり、負の場合、ダイナミツクレン
ジの最小値となる。 更に、第４図Ｃ，Ｄは各々、桁あふれ処理回路
４に対する入力データの絶対値が1/2以上１未満
の場合と、１以上7/4未満の場合を示すものであ
るが、いずれの場合も、上記第４図Ｂの場合と同
様に、桁あふれ処理回路４は動作し、その出力デ
ータは正の場合ダイナミツクレンジの最大値とな
り、負の場合はダイナミツクレンジの最小値とな
るものである。 従つて、第１図に示すデイジタルフイルタ装置
では、桁あふれ処理回路４によつて、ダイナミツ
クレンジに対するオーバーフローが防止され、こ
のデイジタルフイルタ装置が接続される外部装置
のオーバーフローの防止が可能となると共に、デ
イジタルフイルタ装置の発振動作も防止し得るこ
とになる。 しかして、上記桁あふれ処理回路４内のインバ
ータ２８出力が“０”の場合、即ち、上記ダイナ
ミツクレンジに対してオーバーフローしていない
場合は、第３図の利得制御回路１３の全加算器４
０〜４９の入力端Ａには、データ「2^-10」の値が
印加されることになる。従つて、加算器４０〜４
９では、アンドゲート５２〜６０出力及び遅延回
路５１の最上位ビツトと加算が行われ、遅延回路
５１にて単位時間遅延された後、出力されること
になるが、その際、符号が“０”の場合、即ち、
正値の出力が、遅延回路５１より成される場合
は、全加算器４０〜４９のＢ入力端に対して、オ
ール“０”のデータが印加されると共に、第１図
の加算器２に対してデータ「０」を供給すること
になる。従つて、加算器２出力が、ROMから与
えられる係数データＫが直接データK′出力とな
る。 しかして、そのような場合は、例えば、第５図
Ａに示す如く、通常のローパスフイルタとしてこ
のデイジタルフイルタ装置を使用している場合で
あり、その振幅特性の利得も、１（0dB）となる。 しかるに、第５図Ｂ、更には第５図Ｃの如く、
カツトオフ周波数c（角周波数ωc＝2πc）で、振
幅特性にピークをもたせる為、例えば、伝達関数
Ｈ（Ｚ）の係数b₂を制御した際は、桁あふれ処理
回路４からは、オーバーフローを示す信号が、利
得制御回路１３に供給されることになる。その
為、全加算器４０〜４９には、「−2^-8（１−2^-1）」
の値、即ち、最下ビツトに対応する全加算器４０
のキヤリー入力端Ｃのみ“０”信号で、全加算器
４０〜４９の入力端Ａにはオール“１”が印加さ
れることになり、入力端Ｂから供給されるデータ
例えば「０」と加算を行い、遅延回路５１に供給
する。 従つて、遅延回路５１からは、符号ビツトが
“１”として出力される為、アンドゲート５２〜
６０が開成し、その結果、第１図の加算器２に
は、上記「−2^-8（１−2^-1）」が出力されるように
なり、係数データＫが上記値だけ減少させられ
て、係数データK′となり、乗算器１に印加され
る。 更に、単位時間経過後上記桁あふれ処理回路４
より、オーバーフローを指示する信号が、利得制
御回路１３に印加されると、上記遅延回路５１出
力「−2^-8（１−2^-1）」と今回供給されるデータ
「−2^-8（１−2^-1）」が全加算器４０〜４９で加算
され、その結果出力「−2^-7（１−2^-1）」が、次の
加算器２に供給されるデータとなる。 このように、桁あふれ処理回路４からオーバー
フローを指示する信号が出力する間、加算器４０
〜４９では、順次、この出力値を減少（即ち、そ
の絶対値を増加）するように動作し、その結果、
乗算器１に供給する係数データK′の値を減少せ
しめ、フイルタの全体の利得を下げるように働
く。しかして、係数データK′を減少せしめるこ
とにより、加算器３出力が上記ダイナミツクレン
ジを越えないように変化してくると、上記桁あふ
れ処理回路４内のインバータ２８出力は“０”と
なる。 従つて、利得制御回路１３内の全加算器４０〜
４９には正の値「2^-10」が印加されるようになり
遅延回路５１出力との加算が行われ、その出力値
が負の場合は、上記係数データK′を、本来の係
数データＫに比べて小なる値とすると共に、順
次、その値を増加してゆく。従つて、フイルタの
利得は、上がるようになつて来る。しかし、遅延
回路５１の出力が、正の値となつた場合は、上記
アンドゲート５２〜６０は閉成される為、上記加
算器２において、入力データＫより大の出力デー
タK′を得るようなことは防止される。 このようにして、第５図Ｂ，Ｃに示す如く、レ
ゾナンス特性を付加した場合も、レゾナンス特性
を付加しない第５図Ａと同様その振幅特性の最大
値が常に１となるように制御され、出力レベルの
変化は生じないようになつている。 尚、上記実施例は、伝達関数Ｈ（Ｚ）が式(1)で
与えられるデイジタルフイルタ装置につき説明し
たが、一般の２次／２次のデイジタルフイルタ装
置、即ち、その伝達関数が Ｈ（Ｚ）＝Ｋ・１＋a₁Z^-1＋a₂Z^-2／１＋b₁Z^-1＋b₂Z^-2
……式(4) で与えられるデイジタルフイルタ装置に本発明を
適用することも出来る。例えば、その場合、桁あ
ふれ処理回路４に於て、その出力の絶対値が
１／１＋a₁＋a₂を越えないように、ダイナミツクレ ンジを設定し、上記同様の動作を行わしめること
により、デイジタルフイルタ装置の出力の絶対値
が１を越えないようにすることが可能となる。 また、本発明は、伝達関数が Ｈ（Ｚ）＝Ｋ・１＋a₁Z^-1＋a₂Z^-2…＋a_nZ^-m／１＋b₁Z
^-1＋b₂Z^-2…＋b_oZ^-n で表現されるより高次のデイジタルフイルタ装置
にも適用出来ることは勿論である。 更に、１つのデイジタルフイルタ装置に対し、
外部ROMから係数を供給して、種々の特性を有
するフイルタを生成する場合は、上記桁あふれ処
理回路において、伝達関数の零点を決定する係数
データから、最大値をおよび最小値を算出して、
ダイナミツクレンジを決定し、このダイナミツク
レンジ内に入力データが存する場合は、入力デー
タを桁あふれ処理回路の出力とし、上記ダイナミ
ツクレンジ内に上記入力データが存しない場合、
入力データが正値の際は上記演算で算出した最大
値を、入力データが負値の際は上記演算で算出し
た最小値を各々出力するように制御すれば良く、
その際、オーバーフローが検出された場合は、上
記利得制御回路に於て、フイルタの利得を下げる
ように動作せしめれば良い。 更にまた、桁あふれ処理回路及び利得制御回路
を設ける経路位置も、必要に応じて種々変更し得
ることは勿論である。 加えて、上記実施例は、パラレル演算により動
作するデイジタルフイルタ装置に本発明を適用し
たものであるが、シリアル演算により動作するデ
イジタルフイルタ装置に本発明を適用し得ること
は勿論であり、その場合は、桁あふれ処理回路及
び利得制御回路の構成がシリアル演算に適した回
路構成となることは勿論である。 加えて、また、本発明によるデイジタルフイル
タ装置を使用するにあたり、ナイキストのサンプ
リング定理により、サンプリング周波数（単位時
間を決定する。）をsとした場合は、フイルタ入
力信号をs／２以上の周波数成分を含まないように し、更に、折返しひずみとの関係から、上記フイ
ルタの入力信号の周波数成分をs／４で制御すると、 一層効果的である。 以上、詳述した如く、本発明のデイジタルフイ
ルタ装置に於ては、演算のダイナミツクレンジに
対するオーバーフローの処理を行うと共に、オー
バーフローが生じた場合は、フイルタの利得を減
少せしめるように制御したことにより、予め演算
のダイナミツクレンジを広くとつておく必要はな
く、データの上位ビツトも有効利用出来、また、
デイジタルフイルタ装置の入、出力データのビツ
ト数も等しくすることが出来る為、外部装置に対
する接続も容易となり、また、デイジタルフイル
タ装置のカスケード接続も容易に行えるという利
点がある。 更に、オーバーフロー時に、単にダイナミツク
レンジの最大値あるいは最小値を桁あふれ処理回
路より出力するものに比べ、波形ひずみが大幅に
改善出来、また、このデイジタルフイルタ装置の
出力レベルは、常に一定となる為、例えば、この
デイジタルフイルタ装置を電子楽器あるいは各種
音響機器に適用した場合も、出力音量が一定に保
てるという利点がある。 加えて、予め、デイジタルフイルタ装置のダイ
ナミツクレンジが決定される為、固定小数点演算
に非常に有効であるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の一実施例を示し、第１図は、
本実施例の回路構成図、第２図は第１図の桁あふ
れ処理回路４の詳細図、第３図は第１図の利得制
御回路１３の詳細図、第４図は、上記桁あふれ処
理回路４の動作を説明する為の図、第５図は、本
実施例のデイジタルフイルタ装置の振幅特性を示
す図である。 １，７，９，１２……乗算器、２，３，６，
８，１０……加算器、４……桁あふれ処理回路、
１３……利得制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 伝達関数が Ｈ（Ｚ）＝Ｋ・１＋a₁Z^-1＋a₂Z^-2…＋a_nZ^-m／１＋b₁Z
   ^-1＋b₂Z^-2…＋b_oZ^-n で表現されるデイジタルフイルタ装置に於て、 該デイジタルフイルタ装置の入力段の信号が所
   定のダイナミツクレンジに対して正または負のオ
   ーバーフローをしたことを検出する検出手段と、 該検出手段で上記正のオーバーフローが検出さ
   れた際、上記デイジタルフイルタ装置の入力段に
   上記ダイナミツクレンジの最大値を出力すると共
   に、上記負のオーバーフローが検出された際、上
   記デイジタルフイルタ装置の入力段に上記ダイナ
   ミツクレンジの最小値を出力することによりオー
   バーフロー処理を行なう第１の制御手段と、 上記検出手段で正または負のオーバーフローが
   検出された際、上記伝達関数の利得を決定する係
   数Ｋの値を減少させて上記デイジタルフイルタ装
   置に与え、上記入力段の信号が続けてオーバーフ
   ローすることを抑制する第２の制御手段と、 を具備したことを特徴とするデイジタルフイルタ
   装置。 ２ 上記ダイナミツクレンジは上記デイジタルフ
   イルタ装置の伝達関数の零点を決定する上記伝達
   関数の係数a_n（ｍ＝１，２，…ｍ）に基いて設定
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のデイジタルフイルタ装置。