JPH04320111A - シグマ・デルタ変調器 - Google Patents

シグマ・デルタ変調器

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JPH04320111A
JPH04320111A JP4043754A JP4375492A JPH04320111A JP H04320111 A JPH04320111 A JP H04320111A JP 4043754 A JP4043754 A JP 4043754A JP 4375492 A JP4375492 A JP 4375492A JP H04320111 A JPH04320111 A JP H04320111A
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signal
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sigma
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JP4043754A
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English (en)
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Peter J A Naus
ペテル　ヨハネス　アンナ　ナウス
Eise C Dijkmans
エイス　カレル　デイクマンス
Petrus A C Nuijten
ペトラス　アントニウス　コルネリウス　ヌエイテン
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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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】
【０００１】
【技術分野】本発明は、入力信号をディジタル出力信号
に変換するシグマ・デルタ変調器に関連し、該変調器は
、 −　　入力信号とフィードバック信号の間の差に応じて
差分信号を発生する差分ステージ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃ
ｅ　ｓｔａｇｅ）、−　　フィルタ手段であって、Ｋが
１からＮまで変化する階数Ｋの複数のＮ個の１次積分セ
クションであって、これらのセクションが階数の上昇順
序で直列に接続され、ここでＫとＮは１以上の整数であ
り、各個別セクションは入力およびセクション信号を生
成する出力と、入力から階数Ｋのセクション利得ＧＫ　
を持つ出力への１次伝達関数を有し、階数１のセクショ
ンの入力は差分信号を受信するために接続され、かつ残
りのセクションから、階数Ｋのセクションの入力が階数
Ｋ−１の先行セクションの出力に連結されているもの、
Ｋが１からＮまで変化する階数Ｋの同等に大きな複数の
Ｎ個の荷重増幅器であって、各々が同じ階数のセクショ
ンの出力に連結された入力を有し、かつ各々がＮ個の荷
重信号を発生するために階数Ｋの個別荷重ファクタＷＫ
　を有するもの、Ｎ個の荷重信号の和に応じてフィルタ
信号を発生する加算器ステージ、を含むもの、 −　　フィルタ信号をディジタル出力信号に変換する量
子化器、および −　　ディジタル出力信号に応じてフィードバック信号
を発生するフィードバック手段、を具えている。
【０００２】
【背景技術】このタイプのシグマ・デルタ変調器は、雑
誌論文、「ディジタル音声用ステレオ１６ビットデルタ
・シグマＡ／Ｄ変換器（Ａ　Ｓｔｅｒｅｏ１６−Ｂｉｔ
　Ｄｅｌｔａ−Ｓｉｇｍａ　Ａ／Ｄ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅ
ｒ　ｆｏｒ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｕｄｉｏ　）」、音声
技術学会雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｕｄｉｏ　Ｅ
ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ）、第３７巻、
第６号、１９８９年６月、頁４７６　−４８６　、図５
により知られている。シグマ・デルタ変調は、オーバー
サンプリングが適用される場合に低解像度量子器（ｌｏ
ｗ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｑｕａｎｔｉｚｅｒ）の助
けを借りてディジタル高解像度出力信号が得られる技術
である。この技術において、ディジタル出力信号がフィ
ードバックされ、かつ入力信号から減算され、得られた
差分信号は低域通過フィルタ手段によりフィルタされ、
かつ量子器に印加される。
【０００３】入力信号のベースバンドの周波数に対する
十分高いループ利得の使用は、ディジタル出力信号のベ
ースバンド量子化雑音がベースバンド以上の周波数に対
するより高い量子化雑音を犠牲にして小さいことを達成
する。この効果は雑音形成（ｎｏｉｓｅ　ｓｈａｐｉｎ
ｇ　）として知られている。ディジタル出力信号のベー
スバンドの到達可能な信号対雑音比は例えばオーバーサ
ンプリングの程度とフィルタ手段の次数（ｏｒｄｅｒ　
）に依存している。より高い次数のフィルタはそれが低
いオーバーサンプリング周波数を許容し、同時にディジ
タル出力信号のベースバンドの信号対雑音比が維持され
るという理由で好ましい。しかし、この次数は例えばル
ープ中の位相回転と量子化器によるオーバーロードによ
り生起するフィードバック系の不安定性の生起により制
限される。既知のシグマ・デルタ変調器において、高次
フィルタの位相回転は、荷重増幅器（ｗｅｉｇｈｔｉｎ
ｇ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　）の助けを借りて１次セクシ
ョンの出力信号を荷重することによりフィルタ手段のフ
ィルタ特性に零が導入され、引き続いてそれらを加算器
段に一緒に加算することで対抗されている。しかし、量
子化器オーバーロードにより生起した不安定性が生起し
続ける。それらは理論的に最大な振幅に対して入力信号
の振幅を制限することにより回避できる。系の安定化の
ために、この制限はフィルタ手段の次数の増大で常に大
きくなるように見える。
【０００４】高次ループフィルタを具えるシグマ・デル
タ変調器の安定度と入力信号の増大によるその動作に関
する詳細な情報は、例えば次のものから見いだされよう
。（ａ）上に引用された雑誌論文、（ｂ）「デルタ・シ
グマ変調器の非線形動作の解析（Ａｎ　Ａｎａｌｙｓｉ
ｓ　ｏｆ　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｉ
ｎ　Ｄｅｌｔ−Ｓｉｇｍａ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）」
、回路とシステムについてのアイイーイーイー議事録（
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｉｒｃ
ｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ）、第ＣＡＳ−３４巻
、第６号、１９８７年６月、頁５９３　−６０３　、（
ｃ）「圧伸予測デルタ変調：ディジタル記録の安価な変
換技術（ＣｏｍｐａｎｄｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｄ
ｅｌｔａ−Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　：　Ａ　Ｌｏｗ−Ｃ
ｏｓｔ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　
ｆｏｒＤｉｇｉｔａｌ　Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　）」、音
声技術学会雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｕ
ｄｉｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　）、
第３２巻、第９号、１９８４年９月、頁６５９　−６７
２　、（ｄ）「シグマ・デルタ変調における二重積分の
使用（Ａ　Ｕｓｅ　ｏｆ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒ
ａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｉｇｍａ−Ｄｅｌｔａ　Ｍｏｄｉ
ｌａｔｉｏｎ　）」、通信についてのアイイーイーイー
議事録（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　）、第ＣＯＭ−３３巻
、第３号、１９８５年３月、頁２４９　−２５８　、（
ｅ）「次数＞１のオーバーサンプルされた、線形予測・
　雑音形成符号器（Ｏｖｅｒｓａｍｐｌｅｄ，　Ｌｉｎ
ｅａｒ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　Ｎｏｉｓｅ−
Ｓｈａｐｉｎｇ　Ｃｏｄｅｒｓ　ｏｆ　Ｏｒｄｅｒ　Ｎ
＞１）」、回路およびシステムについてのアイイーイー
イー議事録（ＩＥＥＥ　ＴＲａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏ
ｎＣｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　）、第
ＣＡＳ−２５巻、第７号、１９７８年７月、頁４３６　
−４４７　、（ｆ）「雑音形成器あるいはシグマ・デル
タ変調器の安定度と性能についてのいくつかの注意（Ｓ
ｏｍｅ　Ｒｅｍａｒｋｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｔａｂｉｌ
ｉｔｙ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈ
ｅ　ＮｏｉｓｅＳｈａｐｅｒ　ｏｒ　Ｓｉｇｍａ−Ｄｅ
ｌｔａ　Ｍｏｄｉｌａｔｏｒ　）」、通信についてのア
イイーイーイー議事録（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉ
ｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　）、第
３６巻、第１０号、１９８８年１０月、頁１１５７−１
１６２、（ｇ）「１４ビット８０ｋＨｚシグマ・デルタ
Ａ／Ｄ変調器：モデリング、設計および性能評価（Ａ　
１４−ｂｉｔ　８０−ｋＨｚ　Ｓｉｇｍａ−Ｄｅｌｔａ
　Ａ／Ｄ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　：　Ｍｏｄｅｌｌｉ
ｎｇ，Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　）」、固体回路のアイイーイ
ーイー雑誌（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌ
ｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、第２４巻、第
２号、１９８９年４月、（ｈ）「オーバーサンプリング
Ａ／Ｄ変換の原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｏｖ
ｅｒｓａｍｐｌｉｎｇＡ／Ｄ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）
」、音声技術学会雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ
　Ａｕｄｉｏ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｃｉｅｔｙ
　）、第３９巻、第１／２　号、１９９１年１月／２月
、頁３−２６。
【０００５】シグマ・デルタ変調器はしばしばアナログ
対ディジタル変換とディジタル対アナログ変換に使用さ
れる。高次ループフィルタを具えるシグマ・デルタ変調
器の入力信号の振幅制限の難点は、小信号偏倚範囲のた
めに、シグマ・デルタ偏位のアナログ版（ａｎａｌｏｇ
　ｖｅｒｓｉｏｎ）のアナログ構成ブロックの固有雑音
により、およびシグマ・デルタ変調器のディジタル版の
引き続くディジタル対アナログ変換の固有雑音によりダ
イナミックレンジが制限されることである。アナログ構
成ブロックの雑音低減は容易ではない。
【０００６】
【発明の開示】本発明の目的は、入力信号の振幅に小さ
い制限しか存在しない高次ループフィルタを具えるシグ
マ・デルタ変調器を与えることである。冒頭に述べられ
たタイプの本発明によるシグマ・デルタ変調器は、各セ
クションが関連セクション信号の振幅を階数Ｋのセクシ
ョン制限値ＬＫ　に制限するリミタを具え、かつ２を越
える階数Ｋの各値に対して、階数Ｋのセクション制限値
ＬＫ　と、階数Ｋのセクション利得ＧＫ　とＫより１だ
け少ない階数のセクション利得ＧＫ−１　の積から生じ
る値との商である商値ＱＫ　等々であって、かつ階数１
のセクション利得Ｇ１　を含むものが、階数Ｋ−１のセ
クション制限値ＬＫ−１　と、階数Ｋ−１のセクション
利得ＧＫ−１　とＫ−１より１だけ少ない階数のセクシ
ョン利得ＧＫ−２　との積から生じる値との商値ＱＫ−
１　より小さいこと等々であって、階数１のセクション
利得Ｇ１　を含むこと、を特徴としている。
【０００７】不安定性を回避するためにすべてのセクシ
ョンはリミタを具えている。セクション利得の値ＧＫ　
とセクション制限値ＬＫ　の間の選択された関係は、入
力信号が増大する場合に、なお更に入力信号が増大する
と、階数Ｎの最後のセクションが階数Ｎ−１のリミタを
まず制限し始める等々である。それ故、関連セクション
の出力信号はもはや増大せず、かつもはやループ利得に
寄与しない。このことはフィルタ手段の次数を毎回１だ
け低減する。この次数低減のため、シグマ・デルタ変調
器の入力信号は何らの不安定性を生起することなく再び
増大を許容する。結局、この系はその変調器がほぼ　１
００％の入力信号で十分制御できる１次フィルタを具え
るシグマ・デルタ変調器のように動作する。このような
態様で、高次シグマ・デルタ変調器が得られ、それは入
力信号の理論的に最大振幅まで安定なままに留どまる。
【０００８】ほぼすべての上述の参照文献において、系
でのリミタの使用が議論されていることに注意すべきで
ある。これらのリミタはオーバーロードの回避あるいは
不安定性の抑制の一種の非常ブレーキ（ｅｍｅｒｇｅｎ
ｃｙ　ｂｒａｋｅ　）として使用される。もしより多く
のリミタが使用されるなら、入力信号による特定のしき
い値の超過と同時に活性化されよう。リミタが連続して
活性化されることによる組織的な次数低減については述
べられていない。
【０００９】アナログ入力信号に対する本発明によるシ
グマ・デルタ変調器の一実施例は、シグマ・デルタ変調
器が、関連セクション信号を決定する電源を持つセクシ
ョンに関連セクション制限値に比べてほぼ同等に大きい
信号偏倚領域を供給する電源手段を具えることを特徴と
している。セクション利得、セクション制限値および荷
重ファクタの適当なスケーリングにより、電源により許
容されるほど大きいセクション信号振幅に対する制限が
生起する。それ故、リミタは省略でき、かつハードウエ
アの節約が実現できる。
【００１０】本発明を添付図面を参照して詳細に説明す
る。
【００１１】
【実施例】図１はアナログ入力信号に対する本発明によ
るシグマ・デルタ変調器の基本回路図を示している。入
力２の入力信号ｕｉ　およびフィードバック信号ｕｆｂ
は差動増幅器４でお互いに減算され、差信号ｕｄ　に変
換される。差分信号は一連のＮ個の１次集積セクション
６．１　，６．２　，．．．　，６．Ｎ　により構成さ
れたＮ次低域通過フィルタに印加される。このセクショ
ンは各入力　８．１，８．２　，８．３　，．．．　，
８．Ｎ　を有し、かつ各セクション信号Ｕ１０．１，　
Ｕ１０．２，　Ｕ１０．３，．．．，　Ｕ１０．Ｎ　　
を供給する各出力１０．１，１０．２，１０．３，．．
．，１０．Ｎ　を有している。このセクションはセクシ
ョンの各入力と出力の間に直列に接続されているリミタ
１４．１，１４．２，１４．３，．．．．，１４．Ｎを
後続する各１次集積回路網１２．１，１２．２，１２．
３，．．．．，１２．Ｎをさらに含んでいる。第１セク
ション　６．１の入力　８．１は差分信号ｕｄ　を受信
する。残りのセクションの入力　８．２，８．３　，．
．．　，８．Ｎは関連の先行セクションの各出力１０．
１，１０．２，．．．．，１０．Ｎ−１に接続されてい
る。出力１０．１，１０．２，．．．．，１０．Ｎは、
荷重セクション信号の和であるフィルタ信号ｕｆ　を生
成する加算器ステージ１８の入力に各荷重増幅器１６．
１，１６．２，１６．３，．．．．，１６．Ｎを介して
さらに接続されている。フィルタ信号ｕｆ　はクロック
信号ｆｓ　に応じて量子化器２０で量子化され、かつ出
力２２で利用可能なディジタル出力信号ｕｏ　に変換さ
れる。ディジタル出力信号ｕｏ　はディジタル信号をア
ナログフィードバック信号ｕｆｂに変換するディジタル
対アナログ変換器２４にも印加される。
【００１２】１次フィルタセクション、荷重増幅器およ
び加算器ステージを具える回路は極と零を有するＮ次伝
達関数のように動作し、その伝達ｕｆ　／ｕｄ　は
【数
１】 であり、ここでＧ１　，Ｇ２　，Ｇ３　，．．．．，Ｇ
Ｎ　はセクション　６．１，６．２　，６．３　，．．
．　，６．Ｎ　のセクション利得であり、Ｗ１　，Ｗ２
　，Ｗ３　，．．．．，ＷＮ　は荷重増幅器１６．２，
１６．２，１６．３，．．．．，１６．Ｎの荷重ファク
タである。リミタ１４．１，１４．２，１４．３，．．
．．，１４．Ｎはセクション信号をセクション制限値Ｌ
１　，Ｌ２　，Ｌ３　，．．．．，ＬＮ　に制限する。 リミタは入力信号を増大した際のシグマ・デルタ変調器
の不安定性を防止している。
【００１３】入力信号が増大した際に、どのリミタがま
ず動作を開始するかは個別のセクション利得ＧＫ　（Ｋ
＝１，．．．．，Ｎ）とセクション制限値ＬＫ　に依存
する。本発明によると、入力信号ｕ１　が増大した際に
、１次フィルタセクションの連鎖の最後のリミタ１４．
Ｎがまず動作を開始し、引き続いて最後のリミタ１４．
Ｎ−１が動作する等々であるように値ＧＫ　とＬＫ　が
選択される。一度リミタ１４．Ｎが動作を開始すると、
セクション　６．Ｎのセクション信号は入力信号ｕｉ　
がさらに増大する場合に和信号ｕｆ　にもはや寄与しな
い。それ故、低域通過フィルタの次数はＮ−１まで１だ
け効果的に低下される。これはフィルタ次数が１に降下
するまで続けられる。低次のループフィルタを具えるシ
グマ・デルタ変調器が不安定になることなくさらに駆動
できるから、本発明によるリミタ関数の次数により大き
な信号偏倚領域が常に存在する。入力信号ｕｉ　はこの
ように理論的に許容された値のほぼ　１００％に駆動で
きる。
【００１４】リミタが階数の低減する階数で動作を開始
するために、以下の要件が満足されるべきである。Ｋ＝
２からＮに対して、
【数２】 である。
【００１５】図３は角度φＫ　の正接がＧ１　Ｇ２　Ｇ
３．．．ＧＫ　に対応し、かつ角度φＫ−１　の正接が
Ｇ１　Ｇ２　Ｇ３．．．ＧＫ−１　に対応する場合の関
係の図式表現を与えている。セクション制限値Ｌ１　，
Ｌ２　，Ｌ３　，．．．．，ＬＮ　は同等に大きい必要
はない。しかし、ＧＫ　とＬＫ　の個別の値はすべての
セクション制限値が１次集積回路網１２．Ｋの出力信号
の（電源により決定された）信号偏倚領域に等しいよう
に選択されることが有利である。制限値１４．１，１４
．２，１４．３，．．．．，１４．Ｎはハードウエアが
節約されるよう省略できる。
【００１６】図２は図１に示されたようなシグマ・デル
タ変調器のディジタル版を示している。基本回路線図は
ほぼ同一である。ディジタル対アナログ変換器２４は存
在しない。
【００１７】シグマ・デルタ変換器の双方の版は当業者
に知られた技術により具体化でき、これ以上明らかにす
る必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はアナログ入力信号に対する本発明による
シグマ・デルタ変調器の基本回路線図を示している。
【図２】図２はディジタル入力信号に対する本発明によ
るシグマ・デルタ変調器の基本回路線図を示している。
【図３】図３は本発明によるシグマ・デルタ変調器の動
作を例示する線図を示している。
【符号の説明】
２　　入力 ４　　差分増幅器 ６　　１次積分セクション ８　　入力 １０　　出力 １２　　１次積分回路網 １４　　リミタ １６　　荷重増幅器 １８　　加算器ステージ ２０　　量子化器 ２２　　出力 ２４　　ディジタル対アナログ変換器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　入力信号をディジタル出力信号に変換
    するシグマ・デルタ変調器であって、該変調器が、−　
    　入力信号とフィードバック信号の間の差に応じて差分
    信号を発生する差分ステージ、 −　　フィルタ手段であって、Ｋが１からＮまで変化す
    る階数Ｋの複数のＮ個の１次積分セクションであって、
    これらのセクションが階数の上昇順序で直列に接続され
    、ここでＫとＮは１以上の整数であり、各個別セクショ
    ンは入力およびセクション信号を生成する出力と、入力
    から階数Ｋのセクション利得ＧＫ　を持つ出力への１次
    伝達関数を有し、階数１のセクションの入力は差分信号
    を受信するために接続され、かつ残りのセクションから
    、階数Ｋのセクションの入力が階数Ｋ−１の先行セクシ
    ョンの出力に連結されているもの、Ｋが１からＮまで変
    化する階数Ｋの同等に大きな複数のＮ個の荷重増幅器で
    あって、各々が同じ階数のセクションの出力に連結され
    た入力を有し、かつ各々がＮ個の荷重信号を発生するた
    めに階数Ｋの個別荷重ファクタＷＫ　を有するもの、Ｎ
    個の荷重信号の和に応じてフィルタ信号を発生する加算
    器ステージを含むもの、 −　　フィルタ信号をディジタル出力信号に変換する量
    子化器、および −　　ディジタル出力信号に応じてフィードバック信号
    を発生するフィードバック手段、を具えるものにおいて
    、各セクションが関連セクション信号の振幅を階数Ｋの
    セクション制限値ＬＫ　に制限するリミタを具え、かつ
    ２を越える階数Ｋの各値に対して、階数Ｋのセクション
    制限値ＬＫ　と、階数Ｋのセクション利得ＧＫ　とＫよ
    り１だけ少ない階数のセクション利得ＧＫ−１　の積か
    ら生じる値との商である商値ＱＫ　等々で、かつ階数１
    のセクション利得Ｇ１　を含むものが、階数Ｋ−１のセ
    クション制限値ＬＫ−１　と、階数Ｋ−１のセクション
    利得ＧＫ−１　とＫ−１より１だけ少ない階数のセクシ
    ョン利得ＧＫ−２　との積から生じる値との商値ＱＫ−
    １　より小さいこと等々であって、階数１のセクション
    利得Ｇ１　を含むもの、を特徴とするシグマ・デルタ変
    調器。
  2. 【請求項２】　　シグマ・デルタ変調器が、関連セクシ
    ョン信号を決定する電源を持つセクションに関連セクシ
    ョン制限値に比べてほぼ同等に大きい信号偏倚領域を供
    給する電源手段を具えることを特徴とする請求項１に記
    載のシグマ・デルタ変調器。
JP4043754A 1991-03-01 1992-02-28 シグマ・デルタ変調器 Pending JPH04320111A (ja)

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