KR20070029761A - 잡음 성형 변조기를 구비한 다상 보간 필터 - Google Patents

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KR20070029761A
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polyphase
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noise
polyphase filter
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바이즈 프란스 브이 에프 드
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

N개의 다상 브랜치를 구비하는 다상 필터링 방법 및 다상 필터가 설명되며, 이는 입력 샘플을 수신하고, 입력 샘플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치가 선택된다. 필터의 출력을 잡음 성형하여, 다상 필터의 단지 하나의 단일 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시킬 수 있는 잡음 성형 변조기가 사용된다. 본 발명에 따른 필터 및 방법의 이점은, 충분한 성능을 얻기 위해 필요로 되는 잡음 성형기의 차수에 따라 시스템을 더 저렴하게 구현할 수 있다. 이 시스템은 선형 분배의 부족에 기인하여 더 낮은 오버 샘플링 인자를 갖고, 이것만으로 메모리를 더 적게 사용하므로 종래 시스템과 동일한 성능을 가질 수 있다.

Description

잡음 성형 변조기를 구비한 다상 보간 필터{POLYPHASE INTERPOLATING FILTER WITH NOISE SHAPING MODULATOR}
본 발명은, 예를 들면, 샘플 레이트 컨버터에서 사용될 수 있는 잡음 성형 변조기를 구비한 다상 보간 필터용 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1a은 다운 샘플링 샘플 레이트 변환 시스템의 고레벨 블록도를 도시하고, 도 1b는 A, B 및 C로 지시된 지점에서의 몇몇 신호를 도시한다. 다상 샘플 레이트 컨버터는 미국 특허 제6,411,225호에 공지되어 있다. 다상 FIR 필터는 다수의 다상 브랜치로 구성되어 있다. 최단의 두개의 출력 샘플에 대하여 입력 샘플의 위치에 따라, 두개의 다상 브랜치가 선택될 것이다. 두개의 선택된 브랜치(δ)에 대하여 입력 샘플의 위치는 두개의 다상 브랜치 간 선형 분배 인자로서 사용될 것이다. 환언하면, 진폭 L의 입력되는 샘플이 두개의 선택된 브랜치 간에 선형으로 분배된다. 두개의 결과 샘플은 다상 FIR 필터의 선택된 브랜치 중 하나에 의해 각각 필터링될 것이다. 이 필터에서 나오는 샘플은 두개 중 하나의 인자로 다운 샘플링되고 이것이 알고리즘의 출력이 된다.
출력 샘플이 계산되는 타임 그리드는 제한된 레졸루션(Tin/다상 브랜치)을 갖는다. 다상 브랜치의 수가 증가하게 되면, 타임 그리드는 더 작아질 것이다. 이러한 제약에서는, 더 이상 두개의 브랜치를 계산할 필요가 없지만, 필터 계수의 수가 매우 크게될 것이다. 예를 들면, Austin Texas, Cirrus Logic이 공급하는 AD1985 비동기식 샘플 레이트 컨버터는 220개의 브랜치를 사용한다.
본 발명의 목적은, 예를 들면, 샘플 레이트 컨버터에서 사용될 수 있는 잡음 성형 변조기를 구비한 다상 보간 필터용 방법 및 장치를 향상시키는 것이다.
본 발명은, 단지 하나의 필터 브랜치를 선택하기 때문에 도입되는 잡음을 억압하거나 감소시키기 위해 잡음 성형을 이용한다면, 입력되는 모든 샘플에 대하여 두개의 필터 브랜치의 다상 필터 계산에 이은 선형 분배가 필요하지 않다는 발견을 기초로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해 달성된다.
본 발명은 N개의 다상 브랜치를 갖는 다상 필터를 제공하며, 상기 필터는: 입력 샘플을 수신하는 수단; 입력 샘플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 제어 수단; 및 상기 다상 필터의 출력을 잡음 성형하여, 다상 필터의 단지 하나의 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시킬 수 있는 잡음 성형 변조기를 포함한다. 잡음 성형 변조기는 1차 또는 1차 이상의 고차일 수 있다. 잡음 성형 변조기는 단일 스테이지 잡음 성형 변조기 또는 다중 스테이지 잡음 성형 변조기일 수 있다.
본 발명은 또한 단일 레이트 컨버터에서 전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 다상 필터를 사용하는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 N개의 다상 브랜치를 구비한 다상 필터링 방법을 포함하며, 상기 방법은: 입력 샘플을 수신하는 단계; 입력 샘플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 단계; 및 상기 필터의 출력을 잡음 성형하여, 단지 다상 필터의 단일 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 처리 엔진에서 실행될 때, N개의 다상 브랜치를 구비한 다상 필터를 제공하는 코드 세그먼트를 포함하는 소프트웨어 제품을 포함하며, 상기 코드 세그먼트를 포함하는 소프트웨어 제품은: 입력 샘플을 수신하는 수단; 입력 샘플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 제어 수단; 및 상기 필터의 출력을 잡음 성형하여, 다상 필터의 단지 하나의 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시킬 수 있는 잡음 성형 변조기를 포함한다. 소프트웨어는 CD-ROM, DVD-ROM, 디스켓, 하드 디스크, 고상(solid state) 메모리, 테이프 스토리지 등과 같은 기계 판독가능 데이터 캐리어에 저장될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 이점은,
- 충분한 성능을 얻기에 필요한 잡음 성형기의 차수에 의존하여 상기 시스템을 저렴하게 구현할 수 있다.
- 상기 시스템은 선형 분배의 부족에 기인하여 더 낮은 오버 샘플링 인자를 갖고, 그것만으로 더 적은 메모리를 사용하므로 종래의 시스템과 동일한 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특성, 특징 및 이점은 본 발명의 원리를 예로서 도시하는 첨부 도면과 결합하여 후술하는 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 이 설명은 단지 예를 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 하기에 인용되는 참조 부호는 첨부 도면을 참조한다.
도 1a은 공지된 다상 필터의 개략적인 블록도이다.
도 1b는 두개의 다상 브랜치의 선택 및 그들간의 선형 분배를 도시한다.
도 2는 도 1의 다상 필터로부터의 신호의 스펙트럼이다.
도 3은 다상 필터의 단지 하나의 브랜치만이 계산되고 선택되는 경우의 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 다상 필터의 단지 하나의 브랜치만이 계산되고 선택되며 그 출력이 잡음 성형되는 경우의 스펙트럼을 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 6a, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 두 유형의 샘플 레이트 컨버터 각각의 개략적인 블록도를 도시한다.
본 발명은 특정 실시예 및 임의의 도면을 참조하여 설명되지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라 청구범위에 의해서만 한정된다. 설명되는 도면은 단지 개략적인 것이고 한정적인 것은 아니다. 도면에서, 몇몇 구성요소의 크기는 예시적 목적을 위해 과장될 수 있고 축적을 맞추어 도시되지는 않는다. 단수 명사를 언급할 때 사용되는 부정관사 또는 정관사, 예를 들면, "a" 또는 "an", "the"는 특별한 언급이 없는 한 그 단수 명사의 복수를 포함한다.
또한, 상세한 설명 및 청구범위의 용어 제1, 제2, 제3 등은 유사한 구성요소들 간을 구별하기 위해 사용되며 순차 또는 연대기순을 설명하는데 반드시 필요한 것은 아니다. 이와 같이 사용되는 용어는 적절한 환경하에서 상호 교환가능하고, 게다가 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 실시예은 본 명세서에서 설명되거나 예시된 것 이외의 다른 시퀀스로 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
더욱이, 상세한 설명 및 청구범위의 용어 톱(top), 보텀(bottom), 위에(over), 아래에(under) 등은 설명의 목적으로 사용되는 것으로 상대 위치를 설명하는데 반드시 필요한 것은 아니다. 이와 같이 사용되는 용어는 적절한 환경하에서 상호 교환가능하고, 게다가 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 실시예는 본 명세서에서 설명되거나 예시된 것 이외의 다른 배향(orientations)으로 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
청구범위에 사용되는 용어 "포함하는(comprising)"은 그 후에 리스트되는 수단으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 다른 구성요소 또는 단계를 배제하 지 않는다는 것을 주목해야 한다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위는 단지 구성요소 A 및 B만으로 구성된 장치로 한정되어서는 안된다. 이는 본 발명에 대하여 단지 장치와 관련된 구성요소가 A 및 B라는 것을 의미한다.
본 발명은 다상 필터로 입력되는 모든 샘플에 대하여 두개의 필터 브랜치의 계산에 이은 선형 분배가 반드시 필요하지 않다는 발견에 기초한다. 입력부에서의 사인파 신호가 다상 FIR 필터로부터 출력될 때 지점 B(도 1 참조)에서의 스펙트럼은 도 2와 같이 나타날 것이다. 이 도면에서, 사인파 피크 및 강하게 감쇠된 에일리어스(aliase) 및 Fs/4 이하의 잡음 및 Fs/4 이상의 몇몇 에일리어스를 볼 수 있다. Fs/4 이상의 부분은, 이 부분이 두 인자 중 하나의 인자로 다운 샘플링 필터에 의해 필터링되어 제거될 것이기 때문에 무시해도 좋다. 시스템에 입력되는 각 입력 샘플용으로 계산하기 위해 사용될 단지 하나의 브랜치만을 다상 필터의 제어기가 선택하는 방식으로 시스템이 변경될 때, 지점 B에서의 신호의 스펙트럼은 한정된 타임 레졸루션에 기인하여 도 3과 같이 나타날 것이다. Fs/4 이하의 스펙트럼에 원치않는 다수의 신호가 존재하게 된다.
본 발명의 일 양상에서, 브랜치는 잡음 성형 방식으로, 즉, 잡음 성형 변조기의 부가에 의해 계산된다. 잡음 성형기는 일반적으로 제한된 진폭 레졸루션에 기인하는 문제점을 해결하는데 사용된다. 예를 들면, 아날로그 대 디지털 컨버터와 같은 데이터 컨버터에서의 양자화 잡음은 잡음 성형에 의해 감소될 수 있다 - 예를 들면, 도서, 2002년 Wiley Interscience, vol. 11, 특히 chapter 22에 있는, R. J. Baker의 "CMOS mixed signal circuit design" 참조 -. 공지된 이 애플리케 이션과는 달리, 잡음 성형을 본 발명의 양상에 따라 사용하여 다상 브랜치 선택의 한정된 타임 레졸루션에 기인한 문제를 해결한다. 따라서, 이 양상에 따라, 다상 브랜치는 시간적 양자화 형태를 결정하는 것으로 처리된다. 단지 하나의 브랜치만을 선택하게 되면, 시간적 양자화 에러가 도입된다. 다음에, 이 시간적 양자화 에러는 잡음 성형에 의해 제거되거나 감소된다. 잡음 성형 변조기를 사용하는 잡음 성형의 원리는 신호 그 자체 또는 적분기로부터의 에러 신호를 피드백하는 것이다. 적분기는 전형적으로 주파수 z에 대하여 다음의 수학식 1로 정의되는 신호 전달 함수를 구비한다.
Figure 112006097737418-PCT00001
잡음 변조기의 효과는 잡음을 고역 통과 필터링하는 반면, 데이터 신호는 단지 지연될 뿐이다. 그 결과는 단지 하나의 다상 브랜치만을 선택함으로써 도입된 시간적 양자화 잡음 전력을 신호 대역의 외부로 이동시키는 것이다. 지점 B에서의 잡음 성형 출력의 스펙트럼이 도 4에 도시되어 있다. Fs/4 이하의 스펙트럼에 있는 잡음은 충분히 다시 감쇠된다. 임의의 적당한 잡음 변조기가 사용될 수 있다. 예를 들면, 잡음 변조기는 1차 또는 고차일 수 있고 단일 또는 다중 스테이지 변조기일 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 이점은:
- 충분한 성능을 얻기 위해 필요한 잡음 성형기의 차수에 의존하여 상기 시 스템을 저렴하게 구현할 수 있다.
- 상기 시스템은 선형 분배의 부족에 기인하여 오버 샘플링 인자를 더 낮게 하고, 그것만으로 메모리를 적게 사용하므로 종래의 시스템과 동일한 성능을 가질 수 있다.
도 5a는 입력(I1) 및 출력(O1)을 갖는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 업 컨버터로서 구체화된 비동기식 샘플 레이트 컨버터(FSRC1)의 개략적인 제1 예를 도시한다. 선형 분배 유닛이 존재하지 않는다. 샘플 레이트 컨버터는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 그 둘의 조합으로 구체화될 수 있다. 이 샘플 레이트 컨버터는, 논리적으로, 직렬 배열의 다상 분해 필터 수단(PDFM1) 및 잡음 성형 수단(NS1)을 포함한다. 용어 "논리적으로"는, 예를 들면, 컨버터가 소프트웨어에서 구현된다면, 물리적 배열이 공간에서 차례대로 있을 필요가 없다는 것을 내포한다. 또한, 샘플 레이트 컨버터는 다상 분해 필터 수단(PDFM1)과 잡음 성형 수단(NS1)의 동작을 제어하는 제어 수단(CM1)을 포함한다. 샘플 레이트 컨버터(FSRC1)는 융통성있는 샘플 레이트 컨버터일 수 있다. 본 문맥에서, 단어 "융통성있는"은 입력과 출력 샘플링 주파수 간의 실제 비율(변환율 N로 지칭됨)이 미리 공지될 필요가 없다는 것을 의미한다. 그 대신, 변환 프로세스에서 생성되는 이미지의 요구되는 억압량이 공지되어야 한다. 이들 이미지는 원치않는 에일리어싱을 초래할 수 있다. 이 정보 및 상대적 대역폭이 보간 필터를 설계하는데 필요하게 된다.
다상 분해 필터 수단(PDFM1)은 본 예에서 128개의 다상 브랜치(G128,0(z)-G128,127(z))를 포함한다. 이 예에서, 다상 브랜치의 단지 하나의 출력이 잡음 성 형 수단(NS1)을 제공하는 스위치(SW1)에 접속된다. 잡음 성형 수단(NS1)은 또한 증폭기(AMP11)를 포함하며, 이에 의해 증폭기(AMP11)는 증폭기가 선형 보간기의 일부인 경우 종래와 같이 인자 델타없이 수신 신호를 증폭한다.
증폭기의 출력은 잡음 성형 신호를 샘플 레이트 컨버터(FSRC1)의 출력(O1)에 공급하는 잡음 성형 회로(NSC1)에 접속된다. 제어 수단(CM1)은 다상 필터로부터의 어느 샘플이 잡음 성형 회로(NSC1)로 통과되는지를 판정한다. 회로 소자, 예를 들면, 스위치, 제어 수단, 보간기, 증폭기 등은 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 둘의 조합으로 구현될 수 있다.
도 5b는 본 발명에서 업 컨버터로서 사용될 수 있는 비동기식 샘플 레이트 컨버터(FSRC2)의 기능적인 예를 도시한다. 선형 분배 유닛이 존재하지 않는다. 샘플 레이트 컨버터는, 논리적으로, 본 예에서, 직렬 배열의 제1 업-컨버전 수단(UCM21), 제1 필터 수단(FM21), 제2 업-컨버전 수단(UCM22), 제2 필터 수단(FM22) 및 다운 컨버전 수단(DCM2)을 포함한다. 샘플 레이트 컨버터는 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 둘의 조합으로 구체화될 수 있다. 용어 "논리적으로"는, 예를 들면, 컨버터가 소프트웨어에서 구현되는 경우, 물리적 배열이 공간에서 차례대로 있을 필요가 없다는 것을 내포한다. 업-컨버전을 그 사이에 필터 수단을 개재하여 두 단계로 분할함으로써 샘플 레이트 컨버터의 효율이 향상된다. 제1 필터 수단의 전이 대역은 매우 좁게 선택될 수 있고 제2 필터 수단의 전이 대역은 매우 넓게 선택될 수 있다.
도 6a는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 입력(I3) 및 출력(O3)을 갖는 다운- 컨버터(FSRC3)로서 비동기식 샘플 레이트 컨버터의 실제 예를 도시한다. 선형 분배 유닛이 존재하지 않는다. 이 샘플 레이트 컨버터는, 논리적으로, 직렬 배열의 스위치 수단(S3), 및 잡음 성형 회로(NSC2)를 구비한 Ko 브랜치(Gko,0(z)-Gko,Ko-1(z))를 갖는 다상 분해 필터 수단(PDFM3)을 포함한다. 또한, 샘플 레이트 컨버터는 스위치 수단 및 다상 분해 필터 수단의 동작을 제어하는 제어 수단(CM3)을 포함한다. 샘플 레이트 컨버터는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 그 둘의 조합으로 구체화될 수 있다. 용어 "논리적으로"는, 예를 들면, 컨버터가 소프트웨어에서 구현되는 경우, 물리적 배열이 공간에서 차례대로 있을 필요가 없다는 것을 내포한다. 회로 소자, 예를 들면, 스위치, 제어 수단, 보간기, 증폭기 등은 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 둘의 조합으로 구현될 수 있다.
다운-컨버터로서 본 예에 따른 샘플 레이트 컨버터는, 도 5a의 업-컨버터인 샘플 레이트 컨버터의 전치(transposed) 버전이다.
다상 분해 필터 수단(PDFM3)은 본 예에서 128 다상 브랜치(G128,0(z)-G128,127(z))를 포함한다. 본 예에서, 스위치 수단(SW31)에 의해 선택되었던 다상 브랜치의 단지 하나의 출력은 잡음 성형 회로(NSC2)에 접속된다. 스위치 수단(S3)은 또한 증폭기(AMP31)를 포함하고, 이에 의해 증폭기(AMP31)는 증폭기가 선형 보간기의 일부인 경우 종래와 같이 인자 델타 없이 수신 신호를 증폭한다.
다상 필터의 선택된 하나의 출력은, 샘플 레이트 컨버터(FSRC3)의 출력(O3)에 잡음 성형 신호를 제공하는 잡음 성형 회로(NSC2)에 접속된다. 제어 수단(CM1)은 잡음 성형 회로(NSC2)로 어느 샘플이 통과되는지를 판정한다. 회로 소자, 예를 들면, 스위치, 제어 수단, 보간기, 증폭기 등은 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 둘의 조합으로 구현될 수 있다.
도 6b는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 다운-컨버터(FSRC4)로서 비동기식 샘플 레이트 컨버터의 기능 예를 도시한다. 선형 보간 유닛이 존재하지 않는다. 컨버터는 입력(I4) 및 출력(O4) 및 논리적 직렬 배열로 위치되는 업-컨버팅 수단(UCM4), 제1 필터 수단(FM41), 제1 다운-컨버전 수단(DCM41), 제2 필터 수단(FM42) 및 제2 다운-컨버전 수단(DCM42)을 포함한다. 인자들은 요구되는 바에 따라 선택될 수 있고, 이에 의해 Ko 및 K1이 정수로 고정되고 L<=Ko*K1이 된다. 샘플 레이트 컨버터는 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 둘의 조합으로 구체화될 수 있다. 용어 "논리적"은, 예를 들면, 컨버터가 소프트웨어로 구현되는 경우, 물리적 배열이 공간에서 차례대로 있을 필요가 없다는 것을 내포한다. 회로 소자, 예를 들면, 스위치, 제어 수단, 보간기, 증폭기 등은 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 둘의 조합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 다상 보간 필터를 구현하는 소프트웨어를 포함한다. 마이크로프로세서 또는 (FPGA 같은) 프로그래머블 게이트 어레이 또는 그와 유사한 처리 엔진 상에서 실행될 때, 소프트웨어 코드는: 입력 샘플을 수신하는 수단; 입력 샘플의 보간을 위한 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 수단; 및 필터의 출력을 잡음 성형하여, 다상 필터의 단지 하나의 단일 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시킬 수 있는 수단을 포함한다. 이 소프트웨어는 디스켓, 테이프 스토리지, CD-ROM 또는 DVD-ROM 고상 메모리 등과 같은 광학 디스크 스토리지 같은 임의의 적절한 기계 판독가능 스토리지 장치에 저장될 수 있다.

Claims (10)

  1. N개의 다상 브랜치를 갖는 다상 필터로서,
    입력 샘플(I1, I3)을 수신하는 수단,
    입력 새플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 제어 수단(CM1, CM3), 및
    상기 필터의 출력을 잡음 성형하여, 상기 다상 필터의 단지 하나의 단일 브랜치를 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시키는 잡음 성형 변조기(NSC1, NSC2)
    를 포함하는 다상 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 성형 변조기(NSC1, NSC2)는 1차인 다상 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 성형 변조기(NSC1, NSC2)는 1차 보다 큰 고차인 다상 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 성형 변조기(NSC1, NSC2)는 단일 스테이지의 잡음 성형 변조기인 다상 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 성형 변조기(NSC1, NSC2)는 다중 스테이지의 잡음 성형 변조기인 다상 필터.
  6. 샘플 레이트 컨버터에서 전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 다상 필터의 사용.
  7. 제 6 항에 있어서,
    업 컨버터 또는 다운 컨버터에 대한 사용.
  8. N개의 다상 브랜치를 구비한 다상 필터링 방법으로서,
    입력 샘플을 수신하는 단계,
    입력 샘플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 단계, 및
    상기 필터의 출력을 잡음 성형하여, 상기 다상 필터의 단지 하나의 단일 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시키는 단계
    를 포함하는 다상 필터링 방법.
  9. 처리 엔진 상에서 실행될 때, N개의 다상 브랜치를 구비한 다상 필터를 제공하는 코드 세그먼트를 포함하는 소프트웨어 제품으로서,
    입력 샘플을 수신하는 수단,
    입력 샘플의 보간을 위해 다상 필터의 단일 브랜치를 선택하는 제어 수단, 및
    상기 다상 필터의 출력을 잡음 성형하여, 상기 다상 필터의 단지 하나의 단일 브랜치만을 선택함으로써 도입되는 잡음 에러를 감소시키는 잡음 성형 변조기
    를 제공하는 코드 세그먼트를 포함하는 소프트웨어 제품.
  10. 제 9 항의 소프트웨어 제품을 저장하는 기계 판독가능 데이터 캐리어.
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