JPH0779255B2 - 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
コスト化がさらに重要となってきている。これら目的の
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。しかし、一方
で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、アイイーイー
イー ジャーナル オブ ソリッド ステート サーキ
ット（IEEE Journal of solid state circuit,Au
g.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128,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10
0が構成されている。また、加算器120と遅延回路121に
より積分器108が加算器122と遅延回路123により積分器1
10が構成されている。減算器107,109、局部量子化器
６、積分器108,110、遅延器112により２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106
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130
により係数ａが掛け合わされた後加算器128を介して局
部量子化器103入力に加算されている。なお、ここでは
入力Ｘは16ビットのデジタル信号であり、局部量子化器
103,6は第１表および第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６により発生される量子化誤差をV
q2とすると、メインループ100の入力Ｘ、出力Ｗの関係
は（１）式のとおり表される。

Ｗ＝Ｘ＋（１−z^-1）・Vq1 …（１） 一方、サブループ106の入力Ｘ′，出力Ｗ′の関係より
（２）式が成り立つ。

Ｗ′＝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Ｗ′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Ｗ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、サブループの階調の±05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。すなわ
ち、乗算器130により積分器108の値が加算器128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６の出力階調を低くすることができるものである。

ここで、Ｗの取り得る値、すなわち階調は−2,−1,…，
＋２の５通り（５値）であり、Ｗ′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。すなわち、入力信号が７値（３
ビット弱）に圧縮されることを示している。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 しかしながら上記のような構成では、サブループ106内
の積分器108の値が確定した後、積分器108出力→乗算器
130→加算器128→局部量子化器103→減算器２→減算器1
07→積分器108→減算器109→積分器110→局部量子化器
６の経路を通って再度演算を行わなければならず、非常
に多くの演算時間を要する。しかも、帰還が初段の積分
器108出力より掛かっており、以降の積分器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、ある
いは、オーバフローの防止策がないに等しい。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、より少ない演算時間で、
同様の効果を得る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、この検出手段の出力に
所定の伝達関数を乗じて帰還させる帰還回路とを有し、
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第２の局部量子
化器に入力するようにし、 前記帰還回路の出力の極性と第１の局部量子化器が発生
する量子化誤差の極性とに基づき前記第１の局部量子化
器の出力値と所定の値とを加減算する制御手段を備え、
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
ング型量子化器の次数に応じて微分し、その微分出力を
前記制御手段の出力と加算し、その加算結果を出力とし
て取り出すようにしたものである。

作用 上記のように、帰還回路の出力に応じて、メインループ
における局部量子化器の出力を＋１または−１するよう
にしたので、メインループの発生する量子化誤差が必ず
帰還回路の出力と逆極性になる。よって、この値と帰還
回路の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の
出力のそれより小さくなり、サブループにおける局部量
子化器の階調を少なくすることができる。また、帰還回
路の出力が予め確定しているため、演算に要する時間も
少なくて済むものである。

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。５は制御回路で
あり、後述の符号検出器11の出力に応じて、局部量子化
器１の出力を＋１または−１するもので、ここでは第２
図に示すとおりの構成となっている。すなわち、加算器
20により符号検出器11の出力Ｃと局部量子化器１の出力
Q1とを加算し、リミッタ21によりその結果が−３〜＋３
を超えないようにしている。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、その伝達関数Ｈ（ｚ）は（５）式
に示されるとおりであり、具体的には第３図に示すとお
りの構成となっている。

Ｈ（ｚ）＝−2z^-1＋z^-2 …（５） つまり、入力が遅延回路41に与えられ、乗算器44によっ
て２倍された出力と、遅延回路42の出力との差を減算器
43により求めている。11は符号検出器であり、減算器２
の出力、すなわち、メインループの出力である−Vq1と
帰還回路９の出力βを入力とし、それらの符号に応じて
２ビットの信号Ｃ（C1,C0）を出力する。実際には、こ
の符号検出器11には減算器２の出力の最上位ビット（以
下、MSBと称す。）と、帰還回路９の出力MSBが与えら
れ、第４図に示すとおりの構成となっている。ここで、
30は排他的論理和ゲートである。31はANDゲートであ
り、信号βは、ANDゲート31に対して極性反転されて入
力されるようになっている。このように構成することに
より、 −Vq1≧０、かつ、β＜０、ならば、Ｃ＝０ −Vq1＜０、かつ、β≧０、ならば、Ｃ＝０ −Vq1≧０、かつ、β≧０、ならば、Ｃ＝１ −Vq1＜０、かつ、β＜０、ならば、Ｃ＝−１ が出力されるようになっている。

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,制御回路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。局部量子化器１および制御回路５の双方により発生
される量子化誤差をVq1とすると、減算器２の出力は−V
q1となる。この値が遅延器４を介して入力にフィードバ
ックされるため、この制御回路の５の出力Ｗは（６）式
のとおりとなる。

Ｗ＝Ｘ＋（１−z^-1）・Vq1 …（６） 一方、局部量子化器6,加算器7,減算器8,帰還回路９によ
り二重積分型ノイズシェーピングのサブループが構成さ
れる。この実施例で用いている局部量子化器６は先に述
べたように±0.5を出力する。また帰還回路９による帰
還量βは、その伝達関数より明らかなように、局部量子
化器６による量子化誤差の最大３倍である。通常動作時
には局部量子化器６の発生する量子化誤差は0.5以下で
あるので、帰還回路９による帰還量βの最大値は1.5で
ある。

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から前述のメインルー
プの発生する量子化誤差Vq1を引いたものとなる。

ｄ号検出器11により、帰還量βと、サブループの入力
（−Vq1）の符号が一致するときには、 符号が正の場合、局部量子化器１に１が加算され、減算
器２の出力（−Vq1）の値は負になる。

符号が負の場合、局部量子化器１に１が減算され、減算
器２の出力（−Vq1）の値は正になる。

このように、加算器７の入力（−Vq1）とβの符号が必
ず異なるようになる。Vq1の値の絶対値は平均すると0.5
であるので、よって局部量子化器６の入力は±1.0以内
になり、歪の発生を抑えることができる。よって、この
回路においても従来例の場合と同様、局部量子化器６が
発生する量子化誤差をVq2として、 Ｗ′＝−Vq1＋（１−z^-1）^２・Vq2 …（７） となり、加算器12の出力Ｙは Ｙ＝Ｗ＋（１−z^-1）・W¹ ＝Ｘ＋（１−z^-1）^３・Vq2 …（８） となり、３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±0.5の２値である
ので、最終出力Ｙは、−４〜＋４の９値となり、従来例
と同様のシェーピング効果を得ることができる。

ここで、信号の伝達経路について考えると、第３図より
わかるとおり、帰還回路９の出力は符号検出器11出力の
如何に関わらず確定しており、減算器２の出力の符号だ
けが問題になる。ここで、仮に帰還回路９の出力と減算
器２の出力の符号が異なった場合であっても、信号の伝
達経路は、符号検出器11→制御回路５→減算器２→加算
器７→減算器８または局部量子化器６と大幅に短くな
る。また、メインループに対する帰還についても、局部
量子化器６の入力となる値が小さくなるように帰還を掛
けているため、サブループ全体に対しての帰還が掛か
り、帰還回路９の設計の自由度が高くなり、例えば、帰
還回路９の特性が３次以上のものであっても回路が安定
に動作させることができる。すなわち、例えば、局部量
子化器６として第４表に示したものを用い、また、帰還
回路９の伝達関数として（９）式に示すような高次のも
のを用いてもよいものである。

この伝達関数を用いると低域で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を得ること
ができる。

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５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、６値以上、あるいは、５値以下
のものであっても良い。また、帰還回路９の伝達関数と
して（５）式あるいは（９）式に示すものを用い、ま
た、局部量子化器６として２値、あるいは３値出力のも
のを用いた場合について示したが、無論これに限定され
たものでないことは言うまでもない。さらに、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、要は、このループで発生される量子化誤
差がサブループに入力され、サブループにおける量子化
誤差の帰還量とサブループに入力されるメインループか
らの値が逆極性になれば良いものである。

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、前記検出手段の出力に所定の伝達関数を乗
じて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
するようにし、前記帰還回路の出力の極性と前記第１の
局部量子化器が発生する量子化誤差の極正とに基づき前
記第１の局部量子化器の出力値と所定の値とを加減算す
る制御手段を備え、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、その微分出力と前記制御手段の出力と
を加算し、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、サブループにおける局部量子化器の階調
が少なくて済み、量子化器全体としての階調を減らすこ
とができる。また、サブループの帰還回路として２次を
超えるようなものを用いた場合においても、階調を増や
すことなく帰還回路の発振を抑えることができ、しかも
演算に要する時間も少なくて済む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図は制御回路５の具体的な実施例を示すブロッ
ク図、第３図は同実施例における帰還回路の詳細を示す
ブロック図、第４図は符号検出器11の具体的な実施例を
示すブロック図、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、５……制御回
路、９……帰還回路、10……微分器、11……符号検出
器。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−265810（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−99545（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−84914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−161713（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289709（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289810（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289808（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−56407（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30618（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30619（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30620（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−83150（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

【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
   検出手段の出力に所定の伝達関数を乗じて帰還させる帰
   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するようにし、前
   記帰還回路の出力の極性と前記第１の局部量子化器が発
   生する量子化誤差の極性とに基づき前記第１の局部量子
   化器の出力値と所定の値とを加減算する制御手段を備
   え、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、その微分出力と前記制御手段の出力とを加算し、そ
   の加算結果を出力として取り出すようにした量子化器。
2. 【請求項２】制御手段により、第１の局部量子化器の出
   力値の制御を行った後の値が、所定の値以内になるよう
   にした請求項１記載の量子化器。