JP2004120182A

JP2004120182A - デシメーションフィルタおよびインターポレーションフィルタ

Info

Publication number: JP2004120182A
Application number: JP2002279020A
Authority: JP
Inventors: Yukito Takeda; 武田　幸人
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15
Also published as: CN1268056C; US6750793B2; US20040059764A1; CN1494211A; KR20040027371A; KR100545978B1

Abstract

【課題】少ないハードウェアで阻止域減衰量の大きなデシメーションフィルタまたはインターポレーションフィルタを提供する。
【解決手段】初段の１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１における係数長を通常より小さくする。そして、この係数設定を調整してナイキスト周波数近辺に減衰量が十分でない領域を集中させる。これによって、２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２により１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１により減衰量が十分でない領域の減衰量を十分なものにする。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａ／Ｄに使用するデシメーションフィルタまたはＤ／Ａに使用するインターポレーションフィルタ、特に使用するＦＩＲフィルタの係数語長の短縮に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ａ／Ｄ変換にはデシメーションフィルタが利用され、Ｄ／Ａ変換には、インターポレーションフィルタが利用される。特に、デシメーションフィルタには、１／２倍ダウンサンプリングＦＩＲフィルタをカスケード接続されたものが利用され、インターポレーションフィルタには、２倍オーバーサンプリングＦＩＲフィルタをカスケード接続したものが利用される。
【０００３】
図１に、一般的なＦＩＲフィルタの構成を示す。このように、入力信号は、直列接続された複数のｚ^−１遅延器１に入力される。そこで、各ｚ^−１遅延器１の出力には、順次積算して遅延された信号がそれぞれ得られる。各ｚ^−１遅延器１の出力は、それぞれ対応する係数乗算器２に入力され、それぞれ予め設定された係数ａ_０，ａ_１，・・・が乗算された後、加算器３に入力される。そこで、複数の遅延データについて、所定の重みで加算したデータが加算器３の出力に得られる。係数乗算器２の係数の設定などによって、各種のフィルタリング出力を加算器３の出力に得ることができる。
【０００４】
図２に、従来のインターポレーションフィルタの一例を示す。２倍オーバーサンプリングＦＩＲフィルタ４−１〜４−３を３段カスケード接続して１ｆｓ（サンプリング周波数）のデジタルデータを８ｆｓのデジタルデータに変換している。この構成は１ｆｓのデジタルデータを８倍オーバーサンプリングＦＩＲフィルタを用いて直接８ｆｓのデジタルデータにするよりもハードウェアが小規模で実現できるためよく用いられている。
【０００５】
図３〜図５は、２倍オーバーサンプリングＦＩＲフィルタ４−１〜４−２を２段カスケード接続した４倍インターポレーションフィルタの特性の一例を示している。図３は、初段（１ｓｔ）ＦＩＲフィルタ４−１、図４は次段（２ｎｄ）ＦＩＲフィルタ４−２、図５はフィルタ全体のフィルタ特性を示している。
【０００６】
ここで、初段ＦＩＲフィルタ４−１の係数語長は１６ｂｉｔであり、フィルタ全体の阻止域減衰量は−６４．５ｄＢである。フィルタとしての総合特性はほぼ初段ＦＩＲフィルタの減衰量で決まり、初段ＦＩＲフィルタ４−１の阻止域減衰量を大きくしようとすれば回路規模もそれに比例して増大する。なお、次段のＦＩＲフィルタ４−２はそれほど回路規模を増加させることなく阻止域減衰量を大きくすることができる。
【０００７】
図６は、従来のデシメーションフィルタの一例を示す。１／２倍ダウンサンプリングＦＩＲフィルタ５−１〜５−３を３段カスケード接続して８ｆｓのデジタルデータを１ｆｓのデジタルデータにしている。１／２倍ダウンサンプリングＦＩＲフィルタ５−１〜５−２を２段カスケード接続した１／４倍デシメーションフィルタフィルタの特性は、図３、４と同一であり、図３が、最終段ＦＩＲフィルタ５−３、図４がその前段ＦＩＲフィルタ５−２、図５がフィルタ全体のフィルタ特性となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＩＲ型デジタルフィルタでは、出力ｙ_ｊは入力ｘ_ｉ、フィルタ係数ｈ_ｉ、タップ数ｎに対し、ｙ_ｊ＝Σｈ_ｉ・ｘ_ｉ（ｉ＝ｉ，ｎ）と表され、基本的には乗算器が必要となる。乗算器を使用しない場合においては、パラレルシフト加算器を使用して時分割で乗算を行う。従来の技術においては阻止域減衰量を大きくしようとすれば、フィルタ係数語長、タップ数ともに増大する。特に、前記したようにインターポレーションフィルタでは初段のフィルタ回路規模が、デシメーションフィルタでは最終段のフィルタ回路規模が著しく増大する。
【０００９】
フィルタ係数語長が長くなると、乗算器の回路規模が増大する。また、パラレルシフト加算器を使用する場合においては、演算にかかる時間が増大し、所定時間内に演算が終わらなくなるためパラレルシフト加算器を複数持つなどの対策が必要になるため回路規模が増大する。
【００１０】
本発明は、上記課題に対してなされたものであり、その目的はより少ないハードウェアで阻止域減衰量の大きなデジタルフィルタを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ａ／Ｄに使用するデシメーションフィルタであって、ダウンサンプリングを行うＦＩＲフィルタを複数カスケード接続し、最終段のＦＩＲフィルタの係数語長を短くすることにより最終段のＦＩＲフィルタの阻止域において減衰が不充分な領域を生じさせるとともに、前記最終段のＦＩＲフィルタの係数語の設定により、前記減衰が不充分な領域をナイキスト周波数近傍に集め、前段のＦＩＲフィルタをもって最終段のナイキスト周波数近傍を減衰させることを特徴とする。
【００１２】
また、デシメーションフィルタにおいて、最終段のＦＩＲフィルタおよび前段のＦＩＲフィルタは１／２ダウンサンプリングを行うフィルタであり、最終段のＦＩＲフィルタは、可聴帯域に対応する２０ｋＨｚ程度以下を通過域とし、それ以上の２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度の範囲を阻止領域とし、かつ係数語長が１３ビットであることが好適である。
【００１３】
また、本発明は、Ｄ／Ａに使用するインターポレーションフィルタであって、オーバーサンプリングを行うＦＩＲフィルタを複数カスケード接続し、初段のＦＩＲフィルタの係数語長を短くすることにより初段のＦＩＲフィルタの阻止域において減衰が不充分になる領域を生じさせるとともに、前記初段のＦＩＲフィルタの係数語の設定により、前記減衰が不充分な領域をナイキスト周端数近傍に集め、次段のＦＩＲフィルタをもって初段のナイキスト周端数近傍を減衰させることを特徴とする。
【００１４】
また、インターポレーションフィルタにおいて、初段のＦＩＲフィルタおよび次段のＦＩＲフィルタは２倍オーバーサンプリングを行うフィルタであり、初段のＦＩＲフィルタは、可聴帯域に対応する２０ｋＨｚ程度以下を通過域とし、それ以上の２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度の範囲を阻止領域とし、かつ係数語長が１３ビットであることが好適である。
【００１５】
このように、本発明によれば、ナイキスト周端数近傍の不充分な減衰量を前段、もしくは次段のＦＩＲフィルタでもって減衰させることにより、デジタルフィルタ全体として大きな阻止域減衰量を実現する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１７】
実施形態に係るインターポレーションフィルタのハード構成は、基本的に図２の従来例と同一の構成であり、３つの直列接続されたオーバーサンプリングＦＩＲフィルタ４−１〜４−３からなっている。そして、各ＦＩＲフィルタ４−１〜４−３が、それぞれ２倍のオーバーサンプリングを行うことで、サンプリング周波数１ｆｓで入力された信号のサンプリング周波数が順次２倍になり、８ｆｓで出力される。また、各ＦＩＲフィルタ４−１〜４−３は、基本的に図１に示す構成と同一である。
【００１８】
ここで、この１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１は、係数乗算器２の係数の桁数（係数語長）を通常の場合に比べ小さくしている。すなわち、従来の１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１では、その係数語長は１６ビットであったが、本実施形態ではこれを１３ビットにしている。
【００１９】
従来の１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１において、係数語長を１３ビットとした場合には、その特性は図７に示したようにものになる。
【００２０】
このように単純に係数語調を短くすると、係数の丸め誤差（量子化誤差）の影響により、図３に比べ、凸凹の特性になり、係数の丸め誤差の影響により阻止域において十分な減衰量を得ることができない。２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２をあわせたフィルタ全体の特性は、図８に示したとおりである。フィルタ全体の阻止域減衰量は−６０．４ｄＢになっており、図５の場合に比べ、４．１ｄＢ特性が劣化している。
【００２１】
このように、フィルタの係数語長を短くすると、量子化誤差の影響により、フィルタ特性が劣化する。
【００２２】
そこで、本実施形態では、係数語長を通常より短く、例えば１３ビットとするが、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の係数乗算器２の係数を通常の場合とは異なる設定にする。例えば、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１、２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２の係数を表１に示すような値に設定する。なお、この例では、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１は７９段、２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２は１５段としている。なお、２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２の係数は従来例と同じである。
【００２３】
【表１】

図９に、表１のように係数を設定した１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の特性が示されている。このように、フィルタの阻止特性が劣化する領域が、４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度のナイキスト周波数近辺に集められている。なお、本実施形態のＡ／Ｄ変換や、Ｄ／Ａ変換は、オーディオなどに用いることを基本としている。従って、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の遮断周波数は、２０ｋＨｚ程度（２０数ｋＨｚ）であり、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１のナイキスト周波数は、４０ｋＨｚ程度（４０数ｋＨｚ）である。
【００２４】
このように、本実施形態によれば、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の係数語長を１６ｂｉｔから１３ｂｉｔに丸める際に、ナイキスト周端数近傍に丸め誤差による減衰量不足が集中するように係数を調整している。従って、図９に示すように、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１単体の阻止域減衰量は−６０ｄＢであるが、図１０に示すように、２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２によりナイキスト周端数近傍の特性が改善され、フィルタ全体の阻止域減衰量は−６３．６ｄＢを実現している。これによって、係数語長１６ｂｉｔのデジタルフィルタと同等レベルの減衰量が得られる。
【００２５】
以上のように、本実施形態のインターポレーションフィルタによれば、２倍オーバーサンプリングＦＩＲフィルタ４−１、４−２をカスケード接続し、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の係数語長を短くする。これにより１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の阻止域において減衰が不充分になる。しかし、１ｓｔＦＩＲフィルタ４−１の減衰が不充分な領域をナイキスト周端数近傍に集めている。従って、２ｎｄＦＩＲフィルタ４−２をもってナイキスト周端数近傍を減衰させることができ、フィルタ全体としての減衰量を十分なものにできる。
【００２６】
また、本実施形態に係るデシメーションフィルタの構成は、図６と同一である。そして、カスケード接続された３つの１／２倍ダウンサンプリングＦＩＲフィルタ５−１、５−２、５−３の最終段のＦＩＲフィルタ５−３の係数語長を例えば１３ビットと通常に比べ短くする。これにより最終段のＦＩＲフィルタ５−３の阻止域において減衰が不充分になる。しかし、係数の設定によって、減衰が不充分な領域をナイキスト周端数近傍に集めることで、前段のＦＩＲフィルタ５−２をもってナイキスト周波数近傍を減衰させる。これによって、フィルタ全体としての減衰量を十分なものにできる。
【００２７】
このように、本実施形態によれば、１３ビットと従来の１６ビットより少ない係数語長で大きな阻止域減衰量を得ることが可能となる。従って、乗算器を使用する場合においてはハードウェアの増加を抑制することができ、パラレルシフト加算器を使用する場合においては演算にかかる時間を抑制することができ、またハードウェアの増加を抑制することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＦＩＲフィルタをカスケード接続し、最終段（デシメーションフィルタ）あるいは初段（インターポレーションフィルタ）における係数語長を短くする。これにより初段あるいは最終段のＦＩＲフィルタの阻止域において減衰が不充分になる。しかし、この初段あるいは最終段のＦＩＲフィルタの減衰が不充分な領域をナイキスト周端数近傍に集めている。従って、次段あるいは前段のＦＩＲフィルタをもって初段あるいは最終段のナイキスト周端数近傍を減衰させることができ、フィルタ全体としての減衰量を十分なものにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＩＲフィルタの構成を示す図である。
【図２】インターポレーションフィルタの構成ブロック図である。
【図３】従来の１ｓｔＦＩＲフィルタ（係数長１６ビット）のフィルタ特性を示す図である。
【図４】従来の２ｎｄＦＩＲフィルタのフィルタ特性を示す図である。
【図５】従来の１ｓｔ（係数長１６ビット）および２ｎｄＦＩＲフィルタのトータルのフィルタ特性を示す図でる。
【図６】デシメーションフィルタの構成ブロック図である。
【図７】従来の１ｓｔＦＩＲフィルタ（係数長１３ビット）のフィルタ特性を示す図である。
【図８】従来の１ｓｔ（係数長１３ビット）および２ｎｄＦＩＲフィルタのトータルのフィルタ特性を示す図である。
【図９】実施形態の１ｓｔＦＩＲフィルタ（係数長１３ビット）のフィルタ特性を示す図である。
【図１０】実施形態の１ｓｔ（係数長１３ビット）および２ｎｄＦＩＲフィルタのトータルのフィルタ特性を示す図である。
【符号の説明】
１　ｚ^−１遅延器、２　係数乗算器、３　加算器、４−１〜４−３　ＦＩＲフィルタ、５−１〜５−３　ＦＩＲフィルタ。

Claims

Ａ／Ｄに使用するデシメーションフィルタであって、
ダウンサンプリングを行うＦＩＲフィルタを複数カスケード接続し、最終段のＦＩＲフィルタの係数語長を短くすることにより最終段のＦＩＲフィルタの阻止域において減衰が不充分な領域を生じさせるとともに、
前記最終段のＦＩＲフィルタの係数語の設定により、前記減衰が不充分な領域をナイキスト周波数近傍に集め、前段のＦＩＲフィルタをもって最終段のナイキスト周波数近傍を減衰させることを特徴とするデシメーションフィルタ。
請求項１に記載のデシメーションフィルタにおいて、
最終段のＦＩＲフィルタおよび前段のＦＩＲフィルタは１／２ダウンサンプリングを行うフィルタであり、最終段のＦＩＲフィルタは、可聴帯域に対応する２０ｋＨｚ程度以下を通過域とし、２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度の範囲を阻止領域とし、かつ係数語長が１３ビットであることを特徴とするデシメーションフィルタ。
Ｄ／Ａに使用するインターポレーションフィルタであって、
オーバーサンプリングを行うＦＩＲフィルタを複数カスケード接続し、初段のＦＩＲフィルタの係数語長を短くすることにより初段のＦＩＲフィルタの阻止域において減衰が不充分になる領域を生じさせるとともに、
前記初段のＦＩＲフィルタの係数語の設定により、前記減衰が不充分な領域をナイキスト周端数近傍に集め、次段のＦＩＲフィルタをもって初段のナイキスト周端数近傍を減衰させることを特徴とするインターポレーションフィルタ。
請求項３に記載のインターポレーションフィルタにおいて、
初段のＦＩＲフィルタおよび次段のＦＩＲフィルタは２倍オーバーサンプリングを行うフィルタであり、初段のＦＩＲフィルタは、可聴帯域に対応する２０ｋＨｚ程度以下を通過域とし、２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度の範囲を阻止領域とし、かつ係数語長が１３ビットであることを特徴とするインターポレーションフィルタ。