KR19980020740A - 디지탈/아날로그(d/a)변환장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 내용은 입력되는 디지탈신호를 아날로그형태로 변환하기 위한 디지탈/아날로그(D/A)변환장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 일정비트로 입력되는 양자화된 디지탈신호를 보간하여 일정배수의 오버샘플링된 데이타를 출력하는 보간기와, 입력되는 오버샘플링데이타와 소정의 궤환 입력되는 데이타간의 차분데이타를 구하는 차분기와, 차분데이타에 소정치를 곱하여 크기를 조절하는 곱셈기와, 차분데이타를 일정한 대역폭으로 필터링하여 주파수를 제한시키는 필터기와, 크기조절된 데이타와 대역제한된 데이타를 합하는 가산기와, 가산기의 출력데이타를 양자화하여 출력하는 양자화부와, 양자화된 데이타를 아날로그형태로 변환하여 출력하는 D/A변환기, 및 양자화된 데이타를 일정시간만큼 지연하여 차분기로 궤환 입력시키는 지연기로 구성된다. 따라서, 본 발명은 대역제한된 차분데이타를 양자화하는 종래에 비해 크기조절된 차분데이타를 대역제한된 차분데이타에 합하여 양자화하므로써 고주파영역에 대해 양자화잡음을 감소시킬 뿐 아니라 전체적으로 양자화잡음의 증가율을 감소시켜 양자화잡음에 영향을 덜 받는 아날로그신호를 생성할 수 있으며, 그 통과대역을 보다 넓게 설정할 수 있어 차세대 오디오기기에 적합한 성능의 D/A변환장치를 제공한다.

Description

디지탈/아날로그(D/A)변환장치
도 1은 종래 D/A변환장치를 나타낸 구성도,
도 2는 도 1 장치의 주파수에 따른 양자화잡음 특성곡선을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 D/A변환장치를 나타내는 구성도,
도 4a는 도 3 장치의 필터기가 로우패스필터인 경우의 주파수에 따른 양자화잡음 특성곡선이고, 도 4b는 도 3 장치의 필터기가 하이패스필터인 경우의 주파수에 따른 양자화잡음 특성곡선을 나타내는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
31 : 보간기 32 : 차분기
33,37 : 곱셈기 34 : 필터기
35 : 가산기 36 : 양자화부
38 : 혼합기 39 : D/A변환기
40 : 지연기
[발명의목적]
본 발명의 목적은 입력되는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환시 발생하는 양자화잡음 구조를 바꾸어 주파수에 따른 양자화잡음(quantization noise)을 감소시켜 디지탈/아날로그(Digital-to-Analog; D/A)변환의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 D/A변환장치를 제공함에 있다.
[발명이속하는기술분야및그분야의종래기술]
본 발명은 입력되는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 주파수에 따른 양자화잡음을 감소시켜 그 성능을 향상시킬 수 있도록 한 새로운 D/A변환장치에 관한 것이다.
대부분의 아날로그와 디지탈 통신시스템에서 아날로그신호를 디지탈화하거나 디지탈신호를 아날로그화하는 많은 A/D 및 D/A변환기술이 개발되고 있다. 그중 오디오신호 대역에서 많이 사용되고 있는 기술이 오버샘플링(Oversampling)을 이용하는 델타시그마(ΔΣ)방식이다. 델타시그마(ΔΣ)방식은 입력신호를 일정한 대역폭을 갖는 로우패스필터(Low Pass Filter; LPF)로 그 주파수를 제한하고, 대역제한된 신호를 나이퀴스트(Nyquist)주파수 이상의 샘플링주파수로 샘플링하는 오버샘플링기법을 사용한다. 그 일예를 도 1에 도시하였다.
도 1은 종래 D/A변환장치를 나타낸 구성도이다. 도시된 바와 같이, 종래 장치는 입력되는 16비트 양자화된 디지탈신호를 보간하여 원하는 배수만큼 오버샘플링된 데이타를 출력하는 보간기(Interpolator)(11)와, 오버샘플링된 데이타와 소정의 궤환 입력되는 데이타간의 차분를 구하는 차분기(12), 및 그 차분데이타를 일정한 대역폭으로 필터링하여 그 주파수를 제한하는 로우패스필터(13)를 구비하고 있다. 로우패스필터(13)에는 대역제한된 데이타를 1비트 양자화하는 양자화부(14)가 연결된다. 양자화부(14)는 대역제한된 데이타에 소정치를 곱하여 크기를 조절하는 곱셈기(15)와, 크기 조절된 데이타를 소정의 샘플링주파수로 샘플링하여 1비트 양자화된 데이타를 출력하는 혼합기(16)를 구비하고 있다. 양자화부(14)에는 1비트 양자화된 데이타를 아날로그신호로 변환하여 최종 출력하는 D/A변환기(17)가 연결된다. 양자화부(14)에는 또한 1비트 양자화된 데이타를 일정시간 지연하여 차분기(12)로 궤환 입력하는 지연기(18)가 연결되도록 구성된다.
이와 같이 구성된 종래 D/A변환장치에서, 보간기(11)는 입력되는 16비트 양자화된 디지탈신호를 보간하여 원하는 배수만큼 오버샘플링된 데이타를 차분기(12)로 출력한다. 차분기(12)는 입력되는 16비트 오버샘플링된 데이타(x)와 지연기(18)로부터 궤환 입력되는 1비트 양자화된 데이타(y)간의 차분을 구하고, 이 차분데이타를 로우패스필터(13)로 출력한다. 로우패스필터(13)는 입력되는 16비트 차분데이타(x-y)를 H(f)의 전달함수로 표현되는 대역폭으로 로우패스필터링하여 양자화부(14)로 출력한다. 양자화부(14)에서 곱셈기(15)는 필터링된 데이타[(x-y)H(f)]에 일정한 계수(g)를 곱하여 크기를 조절하고, 혼합기(16)는 크기 조절된 데이타[(x-y)H(f)g]를 샘플링주파수(Fs)에 따라 샘플링한다. 혼합기(16)는 샘플링된 데이타를 샘플당 1비트만을 사용하여 그 극성만을 나타내는 양자화된 데이타를 출력한다. 이때, 양자화된 데이타에는 양자화과정에서 발생하는 양자화잡음(q)이 포함되어 있다. 여기서, 샘플링주파수(Fs)는 나이퀴스트주파수보다 휠씬 높은 주파수를 사용하는 오버샘플링기법을 적용하여 1비트 양자화에서 오는 양자화잡음을 감소시킬 수 있도록 한다. D/A변환기(17)는 입력되는 1비트 양자화된 데이타(y)를 아날로그신호로 변환하여 최종 출력한다. 지연기(18)는 입력되는 1비트 양자화된 데이타(y)를 일정시간 지연하여 차분기(12)로 궤환 입력한다. 이와 같은 D/A변환장치에서 양자화부(14)의 1비트 양자화된 데이타(y)는 다음의 수학식 1로 정의된다.
[수학식 1]
위의 수학식 1을 y에 대하여 정리하면, 다음의 수학식 2로 정의된다.
[수학식2]
여기서, H(f)는 로우패스필터(13)의 전달함수로, H(f)g가 '1'보다 충분히 크게 되면 양자화과정에서 발생되는 양자화잡음은 다음의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식3]
위의 수학식 3에서, 양자화잡음은 도 2 그래프에 나타낸 바와 같이 주파수가 고역으로 갈수록 더욱 커짐을 알 수 있다. 즉, 로우패스필터(13)는 입력되는 신호의 대역이 고주파로 갈수록 통과신호가 작아지고, 양자화잡음에 대해 그 전달함수 H(f)가 반비례하므로 주파수가 높아질수록 양자화잡음이 커진다. 또한, 곱셈기(15)의 계수(g)가 일정한 경우 양자화잡음은 로우패스필터(13)의 전달함수 H(f)에 의해서 결정되며, 주파수가 높아질수록 H(f)의 크기가 줄어들어 양자화잡음이 커진다. 반면에, H(f)가 '1'인 경우 양자화잡음은 최소가 되고, 다음의 수학식 4가 된다.
[수학식4]
[발명이이루고자하는기술적과제]
하지만, 위와 같은 델타시그마(ΔΣ)방식의 D/A변환장치에서는 고주파영역으로 갈수록 양자화잡음의 크기가 커지고, 신호의 크기는 작아지므로 양자화잡음에 고주파신호가 묻히게 되는 문제가 있다. 이로 인하여 입력되는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환할 수 있는 대역이 좁아지게 된다. 이는 현재보다 높은 샘플링주파수 예를 들어, 최대 대역폭을 약 100㎑까지로 정하고 있는 슈퍼오디오(Super Audio)개념의 차세대 오디오기기에서는 현재보다 더 높은 신호대잡음비(signal to noise ratio; SNR)를 요구함에도 불구하고 양자화잡음이 더욱 커지게 된다. 그래서, 본 발명은 고역으로 갈수록 양자화잡음이 커지는 종래 D/A변환장치의 구조를 바꾸어 절대적인 양자화잠음의 감소를 꾀할 수 있는 새로운 D/A변환장치를 제시한다.
[발명의구성및작용]
따라서, 본 발명의 D/A변환장치는 입력되는 일정비트 양자화된 디지탈신호를 보간하여 오버샘플링된 데이타를 출력하는 보간기와, 입력되는 오버샘플링된 데이타와 소정의 궤환 입력되는 양자화된 데이타간의 차분을 구하는 차분기와, 그 차분데이타를 로우패스필터링하는 로우패스필터와, 필터링된 데이타를 양자화하는 양자화부와, 그 양자화된 데이타를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환기, 및 양자화된 데이타를 지연하여 차분기로 궤환 입력하는 지연기로 구성되어 입력되는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환장치에 있어서, 상기 차분데이타를 입력받아 소정의 계수를 곱하여 크기를 조절하는 곱셈기와, 상기 차분데이타를 입력받아 일정한 대역폭으로 필터링하여 그 주파수를 제한시키고, 대역제한된 데이타를 출력하는 필터기와, 상기 크기 조절된 데이타와 대역제한된 데이타를 합하여 출력하는 가산기, 및 상기 가산기의 출력데이타를 양자화하고, 그 양자화된 데이타를 아날로그신호로 변환하기 위하여 상기 D/A변환기로 출력하는 양자화부를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 D/A변환장치를 나타내는 구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 종래 도 1 장치의 구성과 동일하게 구성되며, 단지 도 1 장치의 로우패스필터(13) 대신에 차분기(32)를 통해 입력되는 차분데이타에 소정치를 곱하여 크기를 조절하는 곱셈기(33)와, 그 차분데이타를 일정한 대역폭으로 필터링시켜 주파수를 제한시키는 필터기(34)를 포함한다. 또한, 곱셈기(33)와 필터기(34)의 출력데이타를 합하여 양자화부(36)로 출력하는 가산기(35)를 포함하도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 D/A변환장치에 대한 동작을 도 4a 및 도 4b를 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.
도 4a는 도 3 장치의 필터기(34)가 로우패스필터(LPF)인 경우의 주파수에 따른 양자화잡음 특성곡선이고, 도 4b는 도 3 장치의 필터기(34)가 하이패스필터(High Pass Filter; HPF)인 경우의 주파수에 따른 양자화잡음 특성곡선을 나타내는 그래프이다.
먼저, 보간기(31)는 입력되는 16비트 양자화된 디지탈신호를 보간하여 원하는 배수만큼 오버샘플링된 데이타를 구하고, 그 오버샘플링된 데이타를 차분기(32)로 출력한다. 차분기(32)는 입력되는 오버샘플링된 데이타(x)와 지연기(40)로부터 궤환 입력되는 1비트 양자화된 데이타(y)간의 차분을 구하고, 그 차분데이타를 곱셈기(33)와 필터기(34)로 출력한다. 곱셈기(33)는 입력되는 차분데이타(x-y)에 일정계수(g′)를 곱하여 크기를 조절한 후 가산기(35)로 출력한다. 한편, 필터기(34)는 입력되는 차분데이타(x-y)를 H(f)의 전달함수로 표현되는 일정한 대역폭을 갖는 로우패스필터(LPF) 또는 하이패스필터(HPF)를 통해 필터링하여 그 주파수를 제한시켜 가산기(35)로 출력한다. 가산기(35)는 크기 조절된 데이타[(x-y)g′]와 대역 제한된 데이타[(x-y)H(f)]를 서로 합하여 양자화부(36)로 출력한다. 양자화부(36)의 곱셈기(37)는 가산기(35)의 출력데이타[(x-y)g′+(x-y)H(f)]에 일정계수(g)를 곱하여 크기를 조절한 후 혼합기(38)로 출력한다. 혼합기(38)는 크기 조절된 데이타[((x-y)g′+(x-y)H(f))g]를 샘플링주파수(Fs)로 샘플링하고, 샘플링된 데이타를 샘플당 그 극성만을 나타내는 1비트 양자화된 데이타로 출력한다. 이때, 양자화된 데이타에는 양자화과정에서 발생하는 양자화잡음(q)이 포함된다. 여기서, 양자화부(36)는 나이퀴스트주파수보다 匿씬 높은 주파수를 샘플링주파수(Fs)로 사용하는 오버샘플링기법을 적용하여 1비트 양자화에서 오는 양자화잡음을 감소시킬 수 있도록 한다. D/A변환기(39)는 입력되는 1비트 양자화된 데이타(y)를 아날로그신호로 변환하여 최종 출력한다. 지연기(40)는 입력되는 1비트 양자화된 데이타(y)를 일정시간만큼 지연하여 차분기(32)로 궤환 입력한다. 이와 같은 D/A변환장치에서 양자화부(36)의 1비트 양자화된 데이타(y)는 다음의 수학식 5로 정의된다.
[수학식5]
위의 수학식 5을 y에 대하여 정리하면, 다음의 수학식 6으로 정의된다.
[수학식6]
여기서, H(f)는 필터기(34)의 전달함수로, (1+H(f))g가 '1'보다 충분히 크면 양자화과정을 통해 발생되는 양자화잡음은 다음의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
위의 수학식 6에서, 필터기(34)가 로우패스필터(LPF)인 경우 양자화잡음은 도 4a 그래프의 빗금친부분과 같은 특성을 갖는다. 즉, 로우패스矩터(LPF)는 입력되는 신호의 대역이 고주파로 갈수록 통과신호가 작아지고, 양자화잡음에 대해 그 전달함수 H(f)가 반비례하므로 주파수가 높아질수록 양자화잡음이 커진다. 또한, 신호의 크기를 조절하는 곱셈기(33,37)의 계수(g′,g)가 일정한 경우 양자화잡음은 로우패스필터(LPF)의 전달함수 H(f)에 의해서 결정되며, 주파수가 높아질수록 H(f)의 크기가 줄어들어 양자화잡음이 커진다. 한편, H(f)와 곱셈기(33)의 계수(g′)가 '1'인 경우 수학식 6의 양자화잡음은 최소가 되고, 이는 다음의 수학식 7로 정의된다.
[수학식8]
이는 도 1의 종래 델타시그마(ΔΣ)방식의 D/A변환장치에서 동일한 전달함수를 갖는 로우패스필터(LPF)를 사용하는 경우의 양자화잡음(수학식 4 참조)보다 더 작아지게 됨을 알 수 있다(도 4a 참조). 그리고, 곱셈기(33)의 계수(g′)가 '1'보다 커지게 되더라도 양자화잡음이 훨씬 작아지게 됨을 알 수 있다. 또한, 양자화잡음의 증가율도 종래에 비해 낮은 특성을 보여 양자화잡음이 적은 통과대역(Passband)을 종래보다 더 넓게 정할 수 있다.
한편, 필터기(34)가 하이패스필터(HPF)인 경우 양자화잡음은 도 4b 그래프의 빗금친부분과 같은 특성을 갖는다. 즉, 하이패스필터(HPF)는 입력되는 신호의 대역이 고주파로 갈수록 통과신호가 많아져 그 전달함수 H(f)가 증가하므로 양자화잡음이 적어진다. 또한, 곱셈기(33,37)의 계수(g′,g)가 일정한 경우 양자화잡음은 하이패스필터(HPF)의 전달함수 H(f)에 의해서 결정되며, 주파수가 높아질수록 H(f)의 크기가 커져 양자화잡음이 줄어든다. 반면에, H(f)가 최소치 '0'이고 곱셈기(33)의 계수(g′)가 '1'인 경우 양자화잡음은 최대가 되고, 이는 수학식 4로 나타나며 종래 D/A변환장치에서의 양자화잡음 최소와 같게 된다. 즉, 하이패스필터(HPF)를 사용하는 경우 도 4b 그래프에서 보듯이 전 주파수영역에서 종래보다 양자화잡음이 작음을 알 수 있다. 그리고, 곱셈기(33)의 계수(g′)가 '1'보다 더 커지게 되면 양자화잡음은 다음의 수학식 8로 나타낸 바와 같이 더욱 작아지게 된다.
[수학식9]
[발명의효과]
상술한 바와 같이, 본 발명은 D/A변환장치에 관한 것으로 입력되는 디지탈신호의 주파수영역이 고역으로 갈수록 양자화잡음이 커지는 종래 델타시그마(ΔΣ)방식의 D/A변환장치에 비해서 인접한 두 오버샘플링된 데이타의 차분데이타를 로우패스필터 또는 하이패스필터로 필터링하며, 이 차분데이타의 크기를 조절하여 크기조절된 데이타와 필터링된 데이타를 합한 데이타로 양자화한 데이타를 아날로그신호로 변환하므로써 전 주파수영역에 대해 양자화잡음을 줄일 수 있어 대역폭을 넓힐 수 있는 효과를 갖는다. 아울러, 로우패스필터를 사용하는 경우 종래 D/A변환장치의 하드웨어적 구성에 큰 변형이 없어 같은 가격 및 공정으로 훨씬 좋은 성능의 D/A변환장치를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. 입력되는 일정비트 양자화된 디지탈신호를 보간하여 오버샘플링된 데이타를 출력하는 보간기와, 입력되는 오버샘플링된 데이타와 소정의 궤환 입력되는 양자화된 데이타간의 차분을 구하는 차분기와, 그 차분데이타를 로우패스필터링하는 로우패스필터와, 필터링된 데이타를 양자화하는 양자화부와, 그 양자화된 데이타를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환기, 및 양자화된 데이타를 지연하여 차분기로 궤환 입력하는 지연기로 구성되어 입력되는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환장치에 있어서,
    상기 차분데이타를 입력받아 소정의 계수를 곱하여 크기를 조절하는 곱셈기;
    상기 차분데이타를 입력받아 일정한 대역폭으로 필터링하여 그 주파수를 제한시키고, 대역제한된 데이타를 출력하는 필터기;
    상기 크기 조절된 데이타와 대역제한된 데이타를 합하여 출력하는 가산기; 및
    상기 가산기의 출력데이타를 양자화하고, 그 양자화된 데이타를 아날로그신호로 변환하기 위하여 상기 D/A변환기로 출력하는 양자화부를 포함하는 D/A변환장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 양자화부의 양자화된 데이타는 하기 식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 D/A변환장치.
    이고, 이를 y로 정리하면
    여기서, y는 양자화된 데이타, x는 오버샘플링된 데이타, g′과 g는 크기 조절을 위한 계수, H(f)는 필터기의 전달함수이다.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 식으로 정의되는 양자화된 데이타에서 (1+H(f))g가 '1'보다 충분히 크면 양자화잡음은 하기 식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 D/A변환장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 필터기는 로우패스필터인 것을 특징으로 하는 D/A변환장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 식으로 정의되는 양자화잡음은 입력되는 신호의 주파수영역과 상기 곱셈기의 계수(g′)에 따라 가변되며, 상기 로우패스필터에 의해 필터링된 데이타를 양자화하는 경우에 비해 양자화잡음의 최소값이 작아지고, 주파수의 증가에 따른 양자화잡음의 증가율이 낮아지는 것을 특징으로 하는 D/A변환장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 필터기는 하이패스필터인 것을 특징으로 하는 D/A변환장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 식으로 정의되는 양자화잡음은 입력되는 신호의 주파수영역과 상기 곱셈기의 계수(g′)에 따라 가변되며, 상기 로우패스필터에 의해 필터링된 데이타를 양자화하는 경우의 양자화잡음의 최소값이 최대값이 되는 것을 특징으로 하는 D/A변환장치.
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