JPH1075178A - 量子化器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ない出力階調で高ダイナミックレンジを有
し、しかも高い出力振幅レベルが得られる量子化器を提
供する。 【解決手段】 入力に対し、出力される値が−３Ｎ〜＋
３Ｎ、（Ｎは自然数）の７とおりである局部量子化器２
と、該局部量子化器２が発生する量子化誤差Ｖｑを取り
出す手段である減算器３と、伝達関数Ｈ（ｚ）を有する
量子化誤差Ｖｑの帰還用フィルタ４と、帰還用フィルタ
４の出力と量子化器の入力Ｘとを加算して前記局部量子
化器２に入力する手段である加算器１とを有し前記帰還
用フィルタ４の伝達関数Ｈ（ｚ）が式（１）の伝達関数
を有する。 Ｈ（ｚ）＝（１−ｚ^-1）³・Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５
ｚ^-2）−１ （１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は入力されるデジタル
信号のビット圧縮を行う量子化器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のＤ／Ａ変換装置はアイエー出版社
発行、ラジオ技術誌１９８９年１２月号第５６頁〜第５
９頁に記載されたものが知られている。以下図面に基づ
き、従来例の説明を行う。図５は従来の量子化器のブロ
ック図であり、局部量子化器１００は入力されるデジタ
ル信号を−５〜＋５の１１とおりの値に再量子化して出
力する。減算器１０４が局部量子化器１００の発生する
量子化誤差を取り出す。ここで、実際に減算器１０４が
出力する値は、局部量子化器１００が発生する量子化誤
差をＶｑとすると−Ｖｑとなっている。この値は遅延器
１０５〜１０７によって順次遅延され、乗算器１０８，
１０９によってそれぞれの出力に重み付けされた後、加
算器１０２，１０３によって加算され、さらに、加算器
１０２の出力を加算器１０１で入力デジタル信号に加算
して局部量子化器１００に加える。ここで乗算器１０
８，１０９の有する係数ａ，ｂの値は以下のとおりとな
っている。即ち、 ａ＝３−ｋ ｂ＝−３＋ｋ このｋの値によってゼロ点（ノイズシェービングによる
量子化雑音がゼロになるポイント）が決まるが、小さけ
ればゼロ点の周波数が０Ｈｚに近づき、逆に大きくする
とゼロ点の周波数が高くなり、この値を１／５１２（＝
０．００１９５３１２５）に選ぶと、ゼロ点の周波数が
１０ＫＨｚ付近となり、丁度良いところになる。

【０００３】このように構成し、３２倍オーバーサンプ
リングで動作させることにより、可聴帯域内にゼロ点を
１箇所有する３次のノイズシェービング特性が得られ、
約１１０ｄＢのダイナミックレンジを有する量子化器を
得ることができる。

【０００４】

【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、電源電圧が５Ｖのとき、−５〜＋５の１
１の出力階調であるため、−５を０Ｖ、＋５を５Ｖとす
ると最大時の入力信号成分である±３（残りはノイズに
よる成分）は、−３が１Ｖ、＋３が４Ｖに相当し、（４
Ｖ−１Ｖ）で入力信号成分は３Ｖの振幅となり、電源電
圧が５Ｖあるにもかかわらず、最大で３Ｖの信号しか得
られないということになり、Ｐ基板等に実装した際の電
源電圧利用率が低いという課題があった。

【０００５】本発明は上記の問題点に鑑み、より少ない
出力階調で、しかも出力レベルの利用率を拡大した量子
化器を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の量子化器は、入力に対し、出力される値が−
３Ｎ，−２Ｎ，−１Ｎ，０，＋１Ｎ，＋２Ｎ，＋３Ｎ、
（Ｎは自然数）の７とおりである局部量子化器と、該局
部量子化器が発生する量子化誤差Ｖｑを取り出す手段
と、伝達関数Ｈ（ｚ）を有し、前記量子化誤差のフィル
タリングを行う帰還用フィルタと、該帰還用フィルタの
出力と量子化器入力とを加算して前記局部量子化器に入
力する手段とを有し、前記帰還用フィルタの伝達関数Ｈ
（ｚ）が下記に示す式（１）の伝達関数であることを特
徴とする量子化器であり、 Ｈ（ｚ）＝（１−ｚ^-1）³・Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５ｚ^-2）−１ （１） より少ない出力階調で、しかも出力レベルの利用率を拡
大できるものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、入力に対し、出力される値が−３Ｎ，−２Ｎ，−１
Ｎ，０，＋１Ｎ，＋２Ｎ，＋３Ｎ、（Ｎは自然数）の７
とおりである局部量子化器と、該局部量子化器が発生す
る量子化誤差Ｖｑを取り出す手段と、伝達関数Ｈ（ｚ）
を有し、前記量子化誤差のフィルタリングを行う帰還用
フィルタと、該帰還用フィルタの出力と量子化器入力と
を加算して前記局部量子化器に入力する手段とを有し、
前記帰還用フィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）が下記に示す式
（１）の伝達関数であることを特徴とする量子化器とし
たものであり、これにより高域でのフィードバック量を
通常の３次のΔΣ変調器よりへらして系の安定度を高め
ているため、出力階調を−３Ｎ〜＋３Ｎの７値としなが
らも入力可能なレベルが±２．３７までとれるという作
用を有する。

【０００８】 Ｈ（ｚ）＝（１−ｚ^-1）³・Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５ｚ^-2）−１ （１） 請求項２に記載の発明は、Ｎの値が８６４の２のべき乗
倍であることを特徴とする請求項１記載の量子化器であ
り、例えば、入力データが１６ビットであった場合は上
記Ｎの値を１３８２４（＝８６４×１６）とすれば、実
際に量子化器での量子化を行う際に下位９ビットをモニ
タする必要がなくなり、量子化器の構成をより簡略化で
きるという作用を有する。

【０００９】請求項３に記載の発明は、Ｎの値が８９６
の２のべき乗倍であることを特徴とする請求項１記載の
量子化器であり、例えば、入力データが１６ビットであ
った場合は上記Ｎの値を１４３３６（＝８９６×１６）
とすれば、実際に量子化器での量子化を行う際に下位１
１ビットをモニタする必要がなくなり、量子化の構成を
より簡略化できるという作用を有する。

【００１０】以下、本発明の実施の形態について図面を
用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における
量子化器の概要を示すブロック図であり、１はデジタル
入力信号Ｘの入力される加算器、２は加算器１の出力が
入力される局部量子化器、３は局部量子化器２の出力Ｙ
から加算器１の出力を減算する減算器、４は減算器３と
加算器１との間に挿入された帰還用フィルタであり、局
部量子化器２は入力されるデータを−３Ｎ〜＋３Ｎの７
階調に量子化を行い出力する。ここではＮの値を１３８
２４としている。減算器３が局部量子化器２の入出力の
差を取り出す。この差が局部量子化器２が発生する量子
化雑音Ｖｑに相当する。式（１）で示される伝達関数Ｈ
（ｚ）を有する帰還用フィルタ４を介してこの量子化雑
音Ｖｑが加算器１にフィードバックされる。故に、入力
をＸ、出力をＹとすると、入出力Ｘ，Ｙの間には式
（２）で示される関係が成り立つ。

【００１１】 Ｙ＝Ｘ＋（１−ｚ^-1）³Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５ｚ^-2） （２） また、図２はこのように構成した量子化器に１６ビッ
ト，０ｄＢの正弦波を入力した場合の出力スペクトルで
あり、本実施の形態１において６４倍オーバーサンプリ
ングで動作させた場合、１１５ｄＢのダイナミックレン
ジを得ることができる。

【００１２】ここで、本量子化器の出力レベルについて
考えると、局部量子化器２の出力は−３Ｎ〜＋３Ｎの７
階調である。局部量子化器２の量子化レベルは前述のと
おり１３８２４であるので、１６ビット０ｄＢの正弦波
を入力するということは±３２７６７の振幅差を有する
正弦波を入力することになる。

【００１３】この値即ち３２７６７をＮ即ち１３８２４
で正規化すると、１６ビット０ｄＢである±３２７６７
を１３８２４で割った値（規格化した値）が２．３７に
なり、逆に、３２７６７は２．３７Ｎであり、局部量子
化器２の出力は−３Ｎ〜＋３Ｎであるから、１６ビット
０ｄＢの信号を入力すると局部量子化器２からは平均値
として±２．３７Ｎの値が出力されることになり、Ｐ板
等に実装された場合、電源電圧の２．３７／３を利用で
きることになり、上記従来例における３／５＝０．６に
比べて約２．４ｄＢ信号振幅レベルを大きくとることが
でき、実装上より大きなダイナミックレンジを得ること
ができる。

【００１４】図３は図１における帰還用フィルタ４をよ
り具体的に示したブロック図である。図３において、図
１と同じ作用をする部分には図１における符号と同じ符
号を付し説明は省略する。図３において、減算器３の出
力端は直列に接続された遅延回路５，６，７，乗算器
８，加算器９を介して加算器１に接続し、遅延回路５，
６間および遅延回路６，７間の各直列接続点は乗算器１
０、および１１を介して加算器１２および１３に接続
し、加算器９の出力端は直列に接続された遅延回路１
４，１５，乗算器１６を介して加算器１２に接続し、ま
た遅延回路１４，１５の直列接続点は乗算器１７を介し
て加算器１３に接続しており、減算器３によって得られ
た量子化雑音Ｖｑは、遅延回路５，６，７と順次遅延さ
れる。乗算器１０，１１，８が遅延回路５，６，７の各
出力に対して計数ａ，ｂ，ｃを掛け合わせて出力する。
ここでは各計数、ａ，ｂ，ｃの値は、ａ＝−２，ｂ＝＋
２．５，ｃ＝−１である。故に加算器９には遅延回路
５，６，７によって（−２ｚ^-1＋２．５ｚ^-2−ｚ^-3）・
Ｖｑが与えられる。加算器９の出力は遅延回路１４と加
算器１に与えられる。加算器９の出力は遅延回路１４，
１５によって順次遅延され、乗算器１７，１６によって
計数ｄ，ｅが掛け合わされ加算器１３，１２によりその
乗算結果が加算される。ここでは各計数、ｄ，ｅの値は
ｄ＝１，ｅ＝−０．５としている。加算器９の出力の値
をＳとすると、乗算器１７，１６の出力値はＳｚ^-1，
０．５Ｓｚ^-2となる。これを整理すると式（３）に示す
とおりとなる。

【００１５】 Ｓ＝（−２ｚ^-1＋２．５ｚ^-2−ｚ^-3）・Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５ｚ^-2） （３） 故に、入力をＸ、出力をＹとすると、Ｙ＝Ｘ＋Ｓ＋Ｖｑ
であるから、式（３）を代入すると式（２）に示すとお
りの関係式が成り立つ。

【００１６】（実施の形態２）図４は実施の形態１にお
ける帰還用フィルタを簡略化した実施の形態２のブロッ
ク図であり、図４において、図１と同じ作用をする部分
には図１における符号と同じ符号を付し説明は省略す
る。図４において、減算器３の出力端は直列に接続され
た遅延回路１８，乗算器１９を介して減算器２０に接続
し、遅延回路１８の出力端は直列に接続された減算器２
１，遅延回路２２，乗算器２３，加算器２４を介して減
算器２０に接続し、さらに加算器２４の出力端は遅延回
路２５を介して加算器２４および減算器２１に接続して
おり、減算器３によって局部量子化器２が発生する量子
化雑音Ｖｑが取り出される。この量子化雑音Ｖｑは遅延
回路１８によって１クロック分遅延された後、減算器２
１と乗算器１９に送られる。乗算器１９では計数ａ＝２
を掛け合わせて出力する。減算器２１では遅延回路２５
の出力と遅延回路１８の出力の差をとり、遅延回路２２
に与える。遅延回路２２の出力は乗算器２３にて計数ｂ
＝０．５が掛け合わされ、加算器２４にて遅延回路２５
の出力と足し合わされる。加算器２４の出力は遅延回路
２５と減算器２０に与えられる。加算器１が入力と減算
器２０の出力Ｓを加算する。加算器２４の出力をＬとす
ると、Ｌ＝Ｌｚ^-1＋０．５（Ｖｑｚ^-1−Ｌｚ^-1）ｚ^-1で
あるので、整理するとＬは式（４）に示すとおりとな
る。

【００１７】 Ｌ＝０．５ｚ^-2・Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５ｚ^-2） （４） 故に、加算器２０の出力Ｓは式（５）に示すとおりとな
る。

【００１８】 Ｓ＝Ｌ−２ｚ^-1・Ｖｑ ＝（−２ｚ^-1＋２．５ｚ^-2−ｚ^-3）・Ｖｑ／（１−ｚ^-1−０．５ｚ^-2） （５） 式（５）と式（３）は同じ値となっており、図４に示す
回路と図３に示す回路が同様の機能を示すことがわか
る。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、少ない階
調で充分な理論上のダイナミックレンジが得られ、しか
も従来に比べてより大きな信号振幅が得られるため、Ｐ
板実装上のダイナミックレンジも向上させることができ
る。また、局部量子化器において出力階調が少ないので
従来に比べて局部量子化器自体も小型化が可能になると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における量子化器の概要
を示すブロック図

【図２】本発明の実施の形態１における量子化器で得ら
れる出力のスペクトル図

【図３】図１に示した量子化器における帰還用フィルタ
をより具体的に示したブロック図

【図４】本発明の実施の形態２における量子化器のブロ
ック図

【図５】従来の量子化器を表すブロック図

【符号の説明】

１，９，１２，１３，２４，１０１，１０２，１０３
加算器 ２，１００ 局部量子化器 ３，２０，２１，１０４ 減算器 ４ 帰還用フィルタ ５，６，７，１４，１５，１８，２２，２５，１０５，
１０６，１０７ 遅延回路 ８，１０，１１，１６，１７，１９，２３，１０８，１
０９ 乗算器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力に対し、出力される値が−３Ｎ，−
   ２Ｎ，−１Ｎ，０，＋１Ｎ，＋２Ｎ，＋３Ｎ、（Ｎは自
   然数）の７とおりである局部量子化器と、該局部量子化
   器が発生する量子化誤差Ｖｑを取り出す手段と、伝達関
   数Ｈ（ｚ）を有し、前記量子化誤差のフィルタリングを
   行う帰還用フィルタと、該帰還用フィルタの出力と量子
   化器入力とを加算して前記局部量子化器に入力する手段
   とを有し、前記帰還用フィルタの伝達関数Ｈ（ｚ）が下
   記に示す式（１）の伝達関数であることを特徴とする量
   子化器。 Ｈ（ｚ）＝（１−ｚ^-1）³・Ｖｑ／（１−ｚ^-1＋０．５ｚ^-2）−１ （１）
2. 【請求項２】 Ｎの値が８６４の２のべき乗倍であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の量子化器。
3. 【請求項３】 Ｎの値が８９６の２のべき乗倍であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の量子化器。