JP4649777B2 - Delta-sigma modulation apparatus and method, and digital signal processing apparatus and method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ入力信号又は複数ビットのデジタル入力信号にデルタシグマ(ΔΣ)変調処理を施して1ビットデジタル信号を生成するデルタシグマ変調装置及び方法、並びにデジタル信号処理装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ΔΣ変調された高速1ビット・オーディオ信号は、従来のデジタルオーディオに使われてきたデータのフォーマット(例えばサンプリング周波数44.1kHz、データ語長16ビット)に比べて、非常に高いサンプリング周波数と短いデータ語長(例えばサンプリング周波数が44.1kHzの64倍でデータ語長が1ビット)といった形をしており、広い伝送可能周波数帯域を特長にしている。また、ΔΣ変調により1ビット信号であっても、64倍というオーバーサンプリング周波数に対して低域であるオーディオ帯域において、高いダイナミックレンジをも確保できる。この特徴を生かして高音質のレコーダーやデータ伝送に応用することができる。
【0003】
ΔΣ変調装置自体はとりわけ新しい技術ではなく、回路構成がIC化に適していて、また比較的簡単にAD変換の精度を得ることができることで従来からADコンバータの内部などではよく用いられている回路である。
【0004】
ΔΣ変調にされた信号は、簡単なアナログローパスフィルターを通すことによって、アナログオーディオ信号に戻すことができる。
【0005】
また、一般的なこのΔΣ変調装置の構成は、任意の数の積分器と一つの量子化器とその量子化器出力のフィードバック系との組み合わせで構成されており、非線形な量子化器が含まれるため、等価的な回路を伝達関数などで評価する際には量子化器を近似的に置き換えて解析するのが一般である。
【0006】
図20にはΔΣ変調装置の第1の従来例を示す。この第1の従来例は、一つの積分器7と、一つの1ビット量子化器8とその量子化出力のフィードバック系との組み合わせで構成されている。詳細には、入力信号Gが正入力端子に供給され、後述する帰還出力が負入力端子に供給される加算器6と、加算器6の加算出力に積分処理を施す積分器7と、この積分器7の積分出力を1サンプル周期毎に1ビットデジタル信号に量子化する1ビット量子化器8とを備える。1ビット量子化器8の量子化出力Hは、加算器6に負符号とされて帰還され、入力信号Gに加算(結果的に減算)される。また、1ビット量子化器8からは1ビットデジタル信号Hが量子化出力として外部に導出される。積分器7は加算器7aと、遅延器7bを備える。
【0007】
ここで、1ビット量子化器8は、図21に示すように、時間に対して不変で常に0である閾値(スレッシュホールド)Thを参照して入力信号X(n)に量子化処理を施して1ビット出力信号Y(n)を生成している。すなわち、この1ビット量子化器8は、入力信号X(n)に対して0を境に、0以上と0未満で2値のレベルを判定し、量子化処理を施している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記図20に示したΔΣ変調装置は、一つの積分器7と一つの図21に示したような非線形な1ビット量子化器8とその量子化器出力のフィードバック系との組み合わせで構成されるので、ある所望の周波数信号の高速1ビット・オーディオ信号を生成しようとすると、ΔΣ変調装置内部で入力信号に依存した歪が発生してしまう。
【0009】
図22には、前記従来のΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64fs)のスペクトラム分布(FFT解析結果)を示す。周波数2,3,4,6KHz付近では高調波ノイズが発生しているのが分かる。この高調波ノイズが前記入力信号に依存した歪である。
【0010】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、入力信号に依存した歪を抑制し、所望の信号成分だけをΔΣ変調した1ビットデジタル信号を生成するデルタシグマ変調装置及び方法の提供を目的とする。
【0011】
また、本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、ランダムノイズに周波数特性を持たせることによって音質を悪化させることなく、かつΔΣ変調特有の入力信号に依存した歪みを抑制するデジタル信号処理装置及びデジタル信号処理方法の提供を目的ととする。
【0012】
【発明を解決するための手段】
本発明に係るデルタシグマ変調装置は、前記課題を解決するために、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して1ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調装置において、前記入力信号と帰還信号である1ビットデジタル信号とを差分する演算手段と、前記演算手段での差分信号を積分する複数段の積分器から構成された積分手段と、前記積分手段の積分出力に量子化処理を施して1ビットデジタル信号を出力する量子化手段と、前記量子化手段の量子化出力を前記帰還信号として前記演算手段に帰還する帰還ループとを備え、前記量子化手段における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変に制御すると共に、前記量子化手段の直前に接続される最終段の積分器からの振幅のみに基づいて前記閾値レベルの可変範囲を決定する。
【0013】
本発明に係るデルタシグマ変調方法は、前記課題を解決するために、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して1ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調方法において、前記入力信号と帰還信号である1ビットデジタル信号とを差分する演算工程と、前記演算工程での差分信号を複数回積分する積分工程と、前記積分工程の積分出力に量子化処理を施して1ビットデジタル信号を出力する量子化工程と、前記量子化工程による量子化出力を前記帰還信号として前記演算工程に帰還する帰還工程とを備え、前記量子化工程における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変に制御すると共に、前記量子化工程の直前に行われた最終段の積分処理における振幅のみに基づいて前記閾値レベルの可変範囲を決定する。
【0014】
本発明に係るデジタル信号処理装置は、前記課題を解決するために、帰還信号と入力信号の差分を演算する演算手段と、前記演算手段の出力信号を積分する複数段の積分器から構成された積分手段と、ランダムノイズを発生するノイズ発生手段と、前記ノイズ発生手段から出力されるランダムノイズを前記積分手段の積分出力に加算する加算手段と、前記加算手段からの加算出力を1ビット量子化する量子化手段と、前記量子化手段から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として前記演算手段に帰還する帰還ループ手段と、前記加算手段の直前に接続される最終段の積分器からの振幅のみに基づいて、前記ノイズ発生手段により発生されたランダムノイズのゲインを調整するゲイン調整手段とを備えてなり、前記加算手段には前記ゲイン調整手段にてゲインが調整されたランダムノイズが供給される。
【0015】
本発明に係るデジタル信号処理方法は、前記課題を解決するために、帰還信号と入力信号の差分を演算する演算工程と、前記演算工程の出力信号を複数回積分する積分工程と、ランダムノイズを発生するノイズ発生工程と、前記ノイズ発生工程から出力されるランダムノイズを前記積分工程の積分出力に加算する加算工程と、前記加算工程からの加算出力を1ビット量子化する量子化工程と、前記量子化工程から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として前記演算工程に帰還する帰還工程と、前記加算工程の直前に行われる積分工程の最終段の積分処理での振幅のみに基づいて、前記ノイズ発生工程により発生されたランダムノイズのゲインを調整するゲイン調整工程とを備えてなり、前記加算工程には前記ゲイン調整工程にてゲインが調整されたランダムノイズが供給される。
【0016】
本発明に係るデジタル信号処理装置は、前記課題を解決するために、帰還信号と入力信号の差分を演算する演算手段と、前記演算手段での差分信号を積分する複数段の積分器から構成された積分手段と、ランダムノイズを発生するノイズ発生手段と、前記ノイズ発生手段から出力されるノイズ信号の高域成分を抽出するフィルター手段と、前記フィルター手段からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整手段と、前記ゲイン調整手段にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分手段からの出力信号とを加算する加算手段と、前記加算手段からの加算出力を1ビット量子化する量子化手段と、前記量子化手段から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還ループ手段とを備えてなり、前記複数段の積分手段の内の最終段の積分器からの積分値のみに基づいて前記ゲイン調整手段での閾値を決定する。
【0017】
本発明に係るデジタル信号処理方法は、前記課題を解決するために、帰還信号と入力信号の差分を演算する演算工程と、前記演算工程での差分信号を複数回積分する積分工程と、ランダムノイズを発生するノイズ発生工程と、前記ノイズ発生工程から出力されるノイズ信号の高域成分を抽出するフィルタリング工程と、前記フィルタリング工程からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整工程と、前記ゲイン調整工程にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分工程からの出力信号とを加算する加算工程と、前記加算工程からの加算出力を1ビット量子化する量子化工程と、前記量子化工程から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還工程とを備えてなり、前記積分工程の最終段の積分処理で得られた積分値のみに基づいて前記ゲイン調整工程での閾値を決定する。
【0018】
本発明に係るデジタル信号処理装置は、前記課題を解決するために、帰還信号と入力信号の差分を演算する演算手段と、前記演算手段での差分信号を積分する積分手段と、ランダムな1ビットデジタル信号を発生するノイズ発生手段と、前記ノイズ発生手段から出力されるランダムな1ビットデジタル信号を位相変調する位相変調手段と、前記位相変調手段からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整手段と、前記ゲイン調整手段にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分手段からの出力信号を加算する加算手段と、前記加算手段からの出力を1ビット量子化する量子化手段と、前記量子化手段から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還ループ手段とを備えてなり、前記位相変調手段は、入力されるランダムな1ビットデジタル信号を第1のクロックに基づいて正相出力及び逆相出力として出力し、前記正相出力及び逆相出力に対して前記第1のクロックの倍のクロックを有する第2のクロックに基づいて交互に出力し、前記積分手段は複数段の積分器を有し、最終段の積分器での積分値のみに基づいて前記ゲイン調整手段での閾値を決定する。
【0019】
本発明に係るデジタル信号処理方法は、前記課題を解決するために、帰還信号と入力信号の差分を演算する演算工程と、前記演算工程での差分信号を積分する積分工程と、ランダムな1ビットデジタル信号を発生するノイズ発生工程と、前記ノイズ発生工程から出力されるランダムな1ビットデジタル信号を位相変調する位相変調工程と、前記位相変調工程からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整工程と、前記ゲイン調整工程にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分工程からの出力信号を加算する加算工程と、前記加算工程からの出力を1ビット量子化する量子化工程と、前記量子化工程から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還工程とを備えてなり、前記位相変調工程では、入力されるランダムな1ビットデジタル信号を第1のクロックに基づいて正相出力及び逆相出力として出力し、前記正相出力及び逆相出力に対して前記第1のクロックの倍のクロックを有する第2のクロックに基づいて交互に出力し、前記積分工程では複数段の積分処理を行い、最終段の積分処理での積分値のみに基づいて前記ゲイン調整工程での閾値を決定する。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態について図面を参照しながら説明する。
先ず、本発明の第1の実施の形態は、アナログオーディオ信号又は複数ビットのデジタルオーディオ信号を入力信号とし、この入力信号にデルタシグマ(ΔΣ)変調処理を施して高速1ビット・オーディオ信号を生成するΔΣ変調装置である。
【0021】
このΔΣ変調装置は、図1に示すように、入力信号Aと、負のフィードバック信号D(1ビットデジタル信号)とを加算する加算器1と、加算器1からの差分信号Bを積分する積分器2と、積分器2の積分出力Cに量子化処理を施して1ビットデジタル信号Eを出力する1ビット量子化器3と、1ビット量子化器3の量子化出力Eの符号を負にして前記フィードバック信号Dとして加算器1に帰還するフィードバックループ4とを備えている。
【0022】
ここで、積分器2は、積分出力Cを帰還入力Fとして前記差分信号Bに加算する加算器2aと、加算器2aの加算出力を遅延する遅延器2bとを備えている。
【0023】
1ビット量子化器3は、量子化処理にて参照する閾値レベルThを時間軸に対して可変とした量子化器である。すなわち、1ビット量子化器3は、図2に示すように、入力信号X(n)を量子化するときに参照する閾値Thを時間軸に対して±Δqの範囲でランダムに変化させている。
【0024】
次に、図1に示したΔΣ変調装置が入力信号Aに対して施すΔΣ変調処理動作について説明する。
先ず、積分器2は、入力信号Aに基づいた差分信号B、すなわち入力信号Aに、1ビット量子化器3からの1ビット信号を負帰還した帰還入力Dを加算した差分信号Bに対して積分処理を施す。このとき積分器2は、内部の加算器2aからの加算出力を遅延器2bで遅延してから加算器2aに帰還させる。
【0025】
次に、1ビット量子化器3は、閾値レベルThをn[時間]に対してランダムにかつ±Δqの範囲で可変し、積分出力Cを量子化して、1ビット信号Eを出力する。この1ビット量子化器3からの1ビット信号Eは、外部に出力されると共に、フィードバックループ4を介して負符号とされ(帰還入力D)、加算器1に戻される。加算器1は、前記帰還入力Dを入力信号Aに加算し、差分信号Bを出力し、積分器2に供給する。
【0026】
このように、図1に示したΔΣ変調装置は、1ビット量子化器3における量子化処理にて参照する閾値レベルThを時間軸に対してランダムに可変した可変閾値レベルとしている。この可変閾値レベルは時間軸に対し±Δqの範囲でランダムに選ばれている。
【0027】
次に、1ビット量子化器3における前記可変閾値レベルの最適値の算出方法について説明する。
可変閾値レベルを用いた1ビット量子化器3の振る舞いは、従来の1ビット量子化器に入力される信号に可変閾値レベルにあたる成分を加えることと等価となる。したがって、歪を抑制できる効果は前記従来の1ビット量子化器に入力される信号に対する相対的な可変量に依存している。
【0028】
ここで、前記従来の1ビット量子化器に入力される信号とは、後述する最終段積分器の出力信号であるので、最終段積分器の振幅に基づいて得られた相対的な可変量が歪の抑制効果を左右する。
【0029】
ΔΣ変調装置は、一般的に次数に応じた複数の積分器を備えている。図3はN次のΔΣ変調装置の一例の概略構成図である。初段積分器21から最終段積分器2eまでN個の積分器を備えている。そして、最終段積分器2eの出力信号が1ビット量子化器3に供給されている。
【0030】
実際の最適な可変閾値レベルの算出は、最終段の積分器2e内で得られる振幅に基づいて行う。具体的には、次の(1)式に示すように、最終段の積分器2e内で生成される信号の振幅の最大値Dendにある定数Sαを掛け算した値SαDendを最適な可変閾値レベルΔqとする方法である。
【0031】
Δq=SαDend ・・・(1)
この算出方法を用いれば、いかなるΔΣ変調の構成でも一意に決まる定数を掛算した結果を最適な可変閾値レベルとすることができる。
【0032】
このように、いかなるΔΣ変調装置に関しても、その内部で使用されている最終段の積分器内の信号の振れ幅を基準に上記の算出法で最適な量を求め、その適量なランダムノイズで閾値を可変させれば、安定した動作でかつS/Nを悪化させることなく、ΔΣ変調に特有な入力信号に依存した歪を抑制することができる。
【0033】
図4には、前記可変閾値レベルの算出方法を用いてΔΣ変調装置を設計するためのフローチャートを示す。先ず、ステップS1にて所望のΔΣ変調装置を構成する。次に、ステップS2において、最終段積分器内の信号の振れ幅を測定する。そして、ステップS3にて前記(1)式を用いて可変閾値レベルΔqを算出する。この後、ステップS4にて可変閾値レベルΔqをセットし、ステップS5にてΔΣ変調装置の使用変更処理を継続するか否かを判定し継続するのであれば(YES)ステップS1からの処理を繰り返し、使用変更処理を終わりにする(NO)であれば一連の処理を終了する。
【0034】
図4に示した設計フローによれば、いかなるΔΣ変調設計においても、本発明の可変閾値レベルの量子化を用いてフレキシブルにΔΣ変調を再構成でき、上記の効果が望める。つまり、目的に応じてΔΣ変調装置の構成を変更する場合でも、最終段の積分器内の信号における振れ幅さえ知ることができれば、上記の効果が期待できる。
【0035】
前記可変閾値レベルΔqの算出方法を用いることにより、ランダムに可変させる閾値レベルの有効範囲を例えば75%以内と決定することができる。75%より前記閾値レベルが大きいと前記入力信号Aに依存した歪を十分抑制できなくなる。
【0036】
次に、図5には、図1に示したΔΣ変調装置を含む、積分器を複数備えたΔΣ変調装置80の構成を示す。この図5において前記図1のΔΣ変調装置を構成した加算器1、積分器2及び1ビット量子化器3は、加算器75と、積分器76及び1ビット量子化器78としている。また、1ビット量子化器78からの負帰還経路にはビット長変換器79を配している。
【0037】
この図5に示すΔΣ変調装置80は、5個の積分器63,66,69,73及び76を備えた5次のΔΣ変調装置である。また、この5次のΔΣ変調装置は、5個目の積分器76の出力を減衰してから再量子化して前の積分器73の入力に帰還する局部帰還ループ部81を備える。局部帰還ループ部81は、局部帰還減衰器77と、ノイズシェーパ82とを備える。
【0038】
また、このΔΣ変調装置80は、前記5個の積分器63,66,69,73及び76の前で、各積分器に多ビットのデジタル信号を加算する加算器62,65,68,72及び75と、前記5個の積分器の内の1番目〜4番目の積分器63,66,69及び73の後ろに接続される4個の減衰器64,67,71及び74と、5番目の積分器76の後ろに接続される、前記1ビット量子化器3と同様の1ビット量子化器78と、この1ビット量子化器78からの1ビットデジタル信号のビット長を多ビットに変換し、5個の積分器63,66,69,73及び76の入力となるように加算器62,65,68,72及び75に供給するビット長変換器79とを備える。
【0039】
1番目の積分器63は、入力端子61及び加算器62を介して供給された入力信号を積分する。このため、図1に示した加算器2aと同様の加算器からの出力を、遅延器2bと同様の遅延器で遅延し、前記加算器に戻す構成をとる。2番目〜5番目の積分器66,69,73及び76も同様である。
【0040】
5番目の積分器76からの積分出力は1ビット量子化器78及び局部帰還ループ部81の局部帰還減衰器77に供給される。
【0041】
1ビット量子化器78は、量子化処理にて参照する閾値レベルThを前記(1)式に示したΔqとする。すなわち、最終段となる5番目の積分器76内部の信号の振幅Dendに基づいてΔqを算出している。
【0042】
したがって、この1ビット量子化器78が前記5番目の積分器76の積分出力に施した量子化処理では、参照する閾値レベルを時間軸に対して適切にランダムに可変とするので、入力信号に依存した歪を発生させることがない。この1ビット出力信号は、出力端子83から導出されると共に、ビット長変換器79に供給される。
【0043】
ビット長変換器79は、前記1ビット量子化器78からの1ビット信号を多ビットのデジタル信号に変換し、加算器62,65,68,72及び75に負符号を付して帰還する。したがって、各加算器62,65,68,72及び75は、入力端子61及び前段の各積分器63,66,69,73から減衰器64,67,71,74を介して供給される信号からビット長変換器78の出力信号を減算する。
【0044】
減衰器64,67,71及び74は、係数K1,K2,K3及びK4を用いて、積分器63,66,69及び73の各積分出力を減衰し、加算器65,68,72及び75に供給する。
【0045】
局部帰還ループ部81の局部帰還減衰器77は、5番目の積分器76からの積分出力を係数Kfを用いて減衰し、ノイズシェーパ82に供給する。
【0046】
ノイズシェーパ82は、図示しないが、加算器と遅延器とマルチビット量子化器とを備えてなり、局部帰還減衰器77からの減衰出力をデータ語長の切り捨てを発生させることなく再量子化する。具体的には、再量子化誤差を可聴帯域外へシフトする。
【0047】
したがって、このΔΣ変調装置80は、1ビット量子化器78における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して適切にランダムに可変とするので、入力信号に依存した歪を発生させることがなく、さらに、局部帰還ループを備えるので、高音質の1ビットオーディオ信号を出力することができる。
【0048】
図6には、前記図5に示した、5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置80に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64fs)のスペクトラム分布(FFT解析結果)を示す。図22に示した従来のΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置におけるスペクトラム分布に見られた、周波数2,3,4,6KHz付近での高調波ノイズが抑制されている。すなわち、前記入力信号に依存した歪を抑制できているのが分かる。
【0049】
以上に説明したように、第1の実施の形態のΔΣ変調装置では、いかなるΔΣ変調設計に関しても、可変閾値レベルの量子化を用いて設計する場合に、最終段の積分器内における信号の振幅を知ることができれば、最適な可変閾値レベルが算出できる。よって、例えばシュミレーションなどにより、最適な可変閾値レベルで目的に応じてΔΣ変調をフレキシブルに再構成する場合に関しても、ΔΣ変調特有の入力信号に依存した歪の発生を抑制することが可能である。なお、最適な可変閾値レベルとは、ΔΣ変調特有の入力信号に依存した歪の発生を抑制すること以外に、ΔΣ変調自体の動作が安定していることや特性としてS/Nが悪化しないことを意味している。
【0050】
なお、第1の実施の形態では、最適な可変閾値レベルの算出を、最終段の積分器2e内で得られる振幅に基づいて行ったが、他の方法において行ってもよい。例えば、最終段の積分器2e内で得られる振幅を制限するためのリミッタ値Lendを用いてもよい。ここでいうリミッタ値Lendは、このΔΣ変調装置への入力信号として0dB以上のオーバーレベルが入ってきたときにその信号をクリップするためのものである。これにより入力信号の上限を決めることができる。
発振や、系の不安定さを防ぐために使われる。
【0051】
ところで、前記図20に示したΔΣ変調装置が図21に示した非線形な1ビット量子化器8を用いることにより発生していた入力信号に依存した歪に対しては、従来、以下に説明するようないくつかの対策が採られてきた。いくつかの対策が採られてきたΔΣ変調装置を第1〜第3の比較例として説明する。
【0052】
先ず、第1の比較例は、図7に示すΔΣ変調装置のように、入力信号Aと一緒にランダム信号発生器14からディザ信号のようなランダムな信号rを加算器6に供給していた。
【0053】
しかし、このように入力信号Aと一緒にランダム信号rを入力すると、積分器7及び1ビット量子化器8を経て生成された1ビットオーディオ信号E’には、所望の信号成分の他に、歪を抑制するために加えられた成分(ランダム信号r)も含まれてしまう。
【0054】
この図7に示すΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64fs)のスペクトラム分布(FFT解析結果)を図8に示す。ランダムノイズを加えているので、前記図6に示した本実施の形態に基づくスペクトラム分布に比較すると、20KHzまでのノイズフロアのレベルが全体的にフラットでかつ20dB程上がっている。入力信号に加算器6で加えたランダムノイズでノイズを隠している。
【0055】
次に、第2の比較例は、図9に示すΔΣ変調装置のように、入力信号Aと一緒に直流信号発生器18から適度な直流成分dを加算器6に供給していた。
【0056】
しかし、このように入力信号Aと一緒に直流成分dを入力すると、積分器7及び1ビット量子化器8を経て生成された1ビットオーディオ信号E`には、所望の信号成分の他に、歪を抑制するために加えられた成分(直流成分)も含まれてしまう。
【0057】
この図9に示すΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64fs)のスペクトラム分布(FFT解析結果)を図10に示す。ランダムノイズを加えているので、前記図6に示した本実施の形態に基づくスペクトラム分布に比較すると、1KHz〜10KHzまでのノイズフロアのレベルがフラットである。入力信号に加算器6で加えた直流成分で1KHz〜10KHzまでのノイズを隠している。
【0058】
次に、第3の比較例は、図11に示すΔΣ変調装置のように、入力信号Aによる歪成分を求め、歪キャンセラー22からその歪成分を加算器6に供給していた。
【0059】
しかし、この第3の比較例では、予め入力信号AをΔΣ変調装置に通して出力された結果から歪みを判断するため、事前に歪みを予測することが困難で、かつその歪みキャンセラー22を使用することで理論的にはそれ自信の影響による歪が発生してしまう虞があった。
【0060】
この第3の比較例に対して、図1に示した本実施の形態のΔΣ変調装置は、事前に歪を抑制することができ、かつ入力信号と共に歪みを抑制するために加える成分を必要としないので、所望の信号成分だけをΔΣ変調した高速1ビット信号の生成が可能となる。
【0061】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。この第2の実施の形態は、アナログオーディオ信号又は複数ビットのデジタルオーディオ信号を入力信号とし、この入力信号に積分処理と量子化処理を施して高速1ビット・オーディオ信号を生成する、デジタル信号処理装置の一種であるΔΣ変調装置である。
【0062】
この第2の実施の形態のΔΣ変調装置は、図12に示すように、加算器1と、積分器2と、ランダム信号発生器11と、加算器12と、1ビット量子化器8とを備えてなる。また、このΔΣ変調装置は、1ビット量子化器8の量子化出力Eの符号を負にしてフィードバック信号Dとして加算器1に帰還するフィードバックループ4を備えている。
【0063】
この第2の実施の形態のΔΣ変調装置は、積分器2と従来の一般的な1ビット量子化器8の間に加算器12を挿入し、この加算器12にランダム信号発生器11からランダムな信号を加える構成を特徴としている。
【0064】
次に、図12に示したΔΣ変調装置が入力信号Aに対して施すΔΣ変調動作について説明する。
先ず、積分器2は、入力信号Aに基づいた差分信号B、すなわち入力信号Aに、1ビット量子化器3からの1ビット信号を負帰還した帰還入力Dを加算した差分信号Bに対して積分処理を施し、積分出力を加算器12に供給する。
【0065】
加算器12には、ランダム信号発生器11からランダムな信号r’も供給されており、前記積分出力C’にランダム信号r’を加算する。加算器12の加算出力I、すなわちランダム信号r’が加えられた積分出力Iは従来と同様の1ビット量子化器8に供給される。
【0066】
1ビット量子化器8は、前記ランダム信号r’が加えられた積分出力Iに対して量子化処理を施し1ビットデジタル信号Eを出力する。
【0067】
この図12に示したΔΣ変調装置では、積分出力C’を量子化する直前にその積分出力C’に対してランダムな信号r’を加えている。これにより、1ビット量子化器8の閾値がランダムに変化することと同等になる。
【0068】
この第2の実施の形態のΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64fs)のスペクトラム分布(FFT解析結果)は前記図6に示した特性と同じである。
【0069】
前記第1の比較例である、図7に示したΔΣ変調装置もランダム信号発生器14を用いているが、ΔΣ変調装置への入力信号にランダム信号を加算するものであり、ΔΣ変調装置の内部の積分出力にランダム信号を加算するという図12に示すΔΣ変調装置とは明らかに構成が異なる。また、図6と図8のスペクトラム分布を比較してみると明らかなように、図12のΔΣ変調装置のスペクトラム分布(図8)には、20KHzまでのノイズフロアのレベルが全体的にフラットでかつ20dB程上がっているという特徴は見られず、所望の信号成分だけをΔΣ変調した高速1ビット信号の生成が可能であることが分かる。
【0070】
したがって第2の実施の形態のΔΣ変調装置でも、事前に歪を抑制することができ、かつ入力信号と共に歪を抑制するために加える成分を必要としないので、所望の信号成分だけをΔΣ変調した高速1ビット信号の生成が可能となる。さらに、既存のΔΣ変調装置を基に量子化する直前にランダム信号発生器を加えるだけでよいことから簡単に構成することが可能である。
【0071】
次に、第2の実施の形態のΔΣ変調装置の変形例について図13及び図14を用いて説明する。この変形例のΔΣ変調装置は次数に応じた複数の積分器を備えてなる。図13はN次のΔΣ変調装置の一例の概略構成図である。初段積分器21から最終段積分器2eまでN個の積分器を備えている。そして、最終段積分器2eの出力には、ゲイン調整器31でゲインが調整された、ランダム信号発生器11からのランダムノイズ信号が加算器12により加算されている。図14には、ゲイン調整器31でゲインが調整される、ランダムノイズ信号Rnの時間領域特性(a)と、周波数領域特性(b)を示す。
【0072】
このように図13に示したΔΣ変調装置の変形例は、ゲイン調整器31を備え、ランダム信号発生器11からのランダムノイズ信号のゲインを調整してから、最終段積分器2eの積分出力に加算している。
【0073】
ゲイン調整器31は、以下の(2)式に示すように、ランダムノイズ信号Rnの絶対値が加算器12の直前の最終段積分器2e内部の信号の振幅に基づいた可変閾値Δq以下となるように、ランダムノイズ信号Rnに掛け算するゲインを調整する。
【0074】
|Rn|≦Δq ・・・(2)
このようにゲインが調整されたランダムノイズ信号Rnを、加算器12により最終段積分器2eの積分出力に加算し、その加算出力信号を1ビット量子化器8により量子化する。
【0075】
したがって、図13に示すΔΣ変調装置は、最適な可変閾値レベルで量子化を可変することができるので安定した動作で、かつS/Nを悪化させることなく、ΔΣ変調装置に特有な入力信号に依存した歪を抑制することができる。
【0076】
また、その適量の算出方法は、最終段の積分器内における信号の振幅に基づいているので、いかなるΔΣ変調装置に関しても、その内部で使用されている最終段の積分器内の信号の振れ幅を基準に上記の算出法で最適な量を求め、その適量なランダムノイズで閾値を可変させれば、安定した動作でかつS/Nを悪化させることなく、ΔΣ変調に特有な入力信号に依存した歪を抑制することができる。
【0077】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。この第3の実施の形態も、アナログオーディオ信号又は複数ビットのデジタルオーディオ信号を入力信号とし、この入力信号に積分処理と量子化処理を施して高速1ビット・オーディオ信号を生成する、デジタル信号処理装置の一種であるΔΣ変調装置である。
【0078】
この第3の実施の形態のΔΣ変調装置も次数に応じた複数の積分器を備えてなる。図15はN次のΔΣ変調装置の一例の概略構成図である。初段積分器21から最終段積分器2eまでN個の積分器を備えている。そして、最終段積分器2eの出力には、ゲイン調整器34でゲインが調整されたランダムノイズ信号Dth_hfが加算器12により加算されている。
【0079】
図16には、HPFフィルタ33にて高域成分が抽出されたランダムノイズ信号Dth_hfの時間領域特性(a)と、周波数領域特性(b)を示す。
【0080】
ゲイン調整器34は、HPFフィルタ33にて高域成分が抽出されたランダムノイズ信号Dth_hfのゲインを調整する。HPFフィルタ33は、マルチレベルディザ発生器32により発生されたランダムノイズDthの高域成分を抽出する。
【0081】
すなわち、この図15に示すΔΣ変調装置は、マルチレベルディザ発生器32により発生されたランダムノイズDthの高域成分となるランダムノイズ信号Dth_hfのゲインをゲイン調整器34にて調整している。そして、ゲイン調整されたランダムノイズ信号Dth_hfを最終段積分器2eの積分出力に加算器12により加算している。
【0082】
このように図15に示したΔΣ変調装置は、ゲイン調整器34を備え、HPFフィルタ33にて高域成分が抽出されたランダムノイズ信号Dth_hfのゲインを調整してから、最終段積分器2eの積分出力に加算している。
【0083】
ゲイン調整器34は、以下の(3)式に示すように、ランダムノイズ信号Dth_hfの絶対値が加算器12の直前の最終段積分器2e内部の信号の振幅に基づいた可変閾値Δq以下となるように、ランダムノイズ信号Dth_hfに掛け算するゲインを調整する。
【0084】
|Dth_hf|≦Δq ・・・(3)
このようにゲインが調整されたランダムノイズ信号Dth_hfを、加算器12により最終段積分器2eの積分出力に加算し、その加算出力信号を1ビット量子化器8により量子化する。1ビット量子化器8によって得られた1ビット出力信号Y(n)はフィードバックループ4を介して積分器2に供給されると共に、外部に導出される。
【0085】
量子化の直前に加算される最適な量のランダムノイズにおける周波数特性に着目すると、ΔΣ変調特有な入力信号に依存した歪を抑制する効果は、いかに時間に対して高速でランダムに量子化閾値レベルを可変させるかに依存しているので、高域成分の可変量子化閾値レベルさえ用いれば、歪を抑制する効果は期待できる。
【0086】
つまり、通常の1ビット量子化器の直前に適量なランダムノイズを加算する場合に、高域成分のランダムノイズのみで歪を抑制することが可能となる。これは、音質面で悪影響がある低域成分(高速1ビットオーディオストリームでは可聴帯域成分に当たる。)のランダムノイズを必要としないためである。
【0087】
よって、図15に示したΔΣ変調装置は、周波数特性を持った可変量子化閾値レベルを用いることにより、音質的に全く悪化させることなくΔΣ変調特有な入力信号に依存した歪を抑制することを実現している。
【0088】
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。この第4の実施の形態も、アナログオーディオ信号又は複数ビットのデジタルオーディオ信号を入力信号とし、この入力信号に積分処理と量子化処理を施して高速1ビット・オーディオ信号を生成する、デジタル信号処理装置の一種であるΔΣ変調装置である。
【0089】
この第4の実施の形態のΔΣ変調装置も次数に応じた複数の積分器を備えてなる。図17はN次のΔΣ変調装置の一例の概略構成図である。初段積分器21から最終段積分器2eまでN個の積分器を備えている。そして、最終段積分器2eの出力には、ゲイン調整器38でゲインが調整されたランダムノイズ信号Dth_pmが加算器12により加算されている。
【0090】
ゲイン調整器38は、位相変調器37iにて高域成分が抽出されたランダムノイズ信号Dth_pm(i)のゲインを調整する。
【0091】
位相変調器37iは、1ビットディザ発生器36により発生されたサンプリング周波数が例えばコンパクトディスクで使われている標本化周波数44.1KHz(=Fs)の32倍の32Fsの1ビットディザ信号に多重位相変調を施すカスケード接続された位相変調器371・・・37iを構成している。位相変調器371は、1ビットディザ発生器36からの1ビットディザ信号に位相変調処理を施す。多重位相変調とは、所望の周波数特性を得るために位相変調を数回行うことである。
【0092】
位相変調器371の具体例の詳細な構成を図18に示す。位相変調器371は、DフリップフロップよりなるDラッチ43と、切り換えスイッチ44よりなる。Dラッチ43は、クロック入力端子42から供給される上記1ビットディザ信号入力時の伝送レートに等しいクロックCKにより上記1ビットディザ信号の正相出力及び逆相出力を出力する。切り換えスイッチ45は、上記正相出力及び逆相出力を上記クロックCKに応じて交互に出力して位相変調信号を生成する。
【0093】
上記クロックCKは、例えばコンパクトディスクで使われている標本化周波数44.1KHz(=Fs)の64倍のクロック(以後、64Fsクロックと記す。)である。すなわち、ΣΔ変調器でΣΔ変調されて出力された1ビットディザ信号の伝送レートをFsの32倍とすると、この32Fsのデータレートで位相変調部37に入力された1ビットオーディオ信号は、64FsクロックCKにより例えば立ち上がりエッジでDラッチ43によりラッチされる。
【0094】
Dラッチ43は、正端子Qから正相出力を切り換えスイッチ44の被選択端子aに、また反転端子Qバー(Q*と記す。)から逆相出力を切り換えスイッチ44の被選択端子bに供給する。
【0095】
切り換えスイッチ44は、64FsクロックCKが“1”の時にDラッチ43の逆相出力を、また64Fsクロックが“0”の時に正相出力を交互に配置して位相変調信号を生成するように、可動切り換え片cを被選択端子a又は被選択端子bに切り換える。
【0096】
位相変調とは、データが“1”の時は上向きに、“0”の時は下向きに極性反転を行う変調方式で、変調後のデータレートを変調前の2倍とすると、“1”の時は01に、“0”の時は10にデータ変換されることになる。
【0097】
よって、切り換えスイッチ44にて切り換えられて出力される位相変調信号Dth_pm(1)は、64Fsの1ビットディザ信号となる。この64Fsの1ビットディザ信号は次の段の位相変調器372に供給される前に32Fsで1ビットとされている。
【0098】
このような位相変調処理を繰り返して多重位相変調を行うことにより、最終的に位相変調器37iから出力される位相変調信号Dth_pm(i)は可聴域のノイズ成分が十分落とされた、高域成分のみとなる。
【0099】
また、位相変調器371の他の具体例の詳細な構成を図19に示す。この他の具体例は、Dラッチ53と、シフトレジスタ54よりなる。Dラッチ53は図18に示したDラッチ43と同様であるので説明を省略する。
【0100】
シフトレジスタ54は、32FsクロックCKで入力されるデータのロード及びシフトを制御し、64FsクロックCKで位相変調した1ビットディザ信号を出力端子56から外部に送出している。
【0101】
このシフトレジスタ54は、同期ロードであるので32FsクロックCKが“1”の時、64FsクロックCKの立ち上がりエッジで、Dラッチ53の正相出力及び逆相出力を入力端子H及び入力端子Gからロードし、32FsクロックCKが“0”の時、64FsクロックCKの立ち上がりエッジで上記正相出力及び逆相出力をシフトする。こうして64Fsで1ビットのディザ信号が生成される。
【0102】
このように、図17に示したΔΣ変調装置では、1ビットディザ信号を用いるので、1ビット信号のまま可聴域成分を減衰できる。前記第3の実施の形態で用いたようなHPFフィルタを不要としながらも、可聴域成分を減衰できる。さらに、1ビットディザ信号に対して、位相変調器371・・・37iを用いた多重位相変調が可能であり、より可聴域成分を減衰することが可能となった。
【0103】
つまり、位相変調を多重に数回行うことにより1ビット信号のまま、完全に可聴域成分を持たない周波数特性であるランダムノイズを生成することが可能となる。さらに、ハードウェアなどで構成する際に、図15のようにHPFフィルタを用いる場合は、可聴域成分を充分に減衰できるフィルタを設計するのに規模が大きくなるが、図17のように多重位相変調を用いて構成すると、容易にかつ小規模で構成できるという利点がある。
【0104】
このように、前記第3の実施の形態となるΔΣ変調装置や第4の実施の形態となるΔΣ変調装置は、可変閾値レベルの量子化において、周波数特性を持たせることによって音質を悪化させることなく、かつΔΣ変調特有の入力信号に依存した歪みを抑制する効果を実現している。
【0105】
また、高速1ビットオーディオストリームのままでディザなどのランダムノイズに周波数特性を持たせる第4の実施の形態のΔΣ変調装置では、多重位相変調を使用することにより容易に、かつ小規模で実現することができ、フィルタを使用する場合と比較してハードウェア設計などに関して非常に有利である。
【0106】
また、第3及び第4の実施の形態でも、最適な可変閾値レベルの算出を、最終段の積分器2e内で得られる振幅に基づいて行ったが、前記リミッタ値Lendを用いてもよい。
【0107】
【発明の効果】
本発明に係るデルタシグマ変調装置は、量子化手段にて行われる量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変するので、入力信号に依存した歪を抑制し、所望の信号成分だけをΔΣ変調した1ビットデジタル信号を生成することができる。
【0108】
本発明に係るデルタシグマ変調方法は、量子化工程における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変するので、入力信号に依存した歪を抑制し、所望の信号成分だけをΔΣ変調した1ビットデジタル信号を生成することができる。
【0109】
本発明に係るデジタル信号処理装置及びデジタル信号処理方法は、ランダムノイズに周波数特性を持たせることによって音質を悪化させることなく、かつΔΣ変調特有の入力信号に依存した歪みを抑制する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態となる、ΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図2】前記ΔΣ変調装置で用いる1ビット量子化器を説明するための図である。
【図3】N次のΔΣ変調装置の一例の概略構成図である。
【図4】可変閾値レベルの算出方法を用いてΔΣ変調装置を設計するためのフローチャートである。
【図5】積分器を複数備えたΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図6】前記図5に示した、5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64Fs)のスペクトラム分布図である。
【図7】第1の比較例となるΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図8】前記第1の比較例のΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64Fs)のスペクトラム分布図である。
【図9】第2の比較例となるΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図10】前記第2の比較例のΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64Fs)のスペクトラム分布図である。
【図11】第3の比較例となるΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態となる、ΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図13】前記第2の実施の形態の変形例となる、N次のΔΣ変調装置の概略構成を示すブロック図である。
【図14】前記図13に示したN次のΔΣ変調装置を構成するランダム信号発生器からのランダムノイズ信号Rnの時間領域特性(a)と、周波数領域特性(b)を示す図である。
【図15】本発明の第3の実施の形態となる、N次のΔΣ変調装置の概略構成を示すブロック図である。
【図16】前記図15に示したN次のΔΣ変調装置を構成するHPFフィルタにて高域成分が抽出されたランダムノイズ信号Dth_hfの時間領域特性(a)と、周波数領域特性(b)を示す図である。
【図17】本発明の第4の実施の形態となる、N次のΔΣ変調装置の概略構成を示すブロック図である。
【図18】前記図17に示したN次のΔΣ変調装置を構成する位相変調器の具体例の構成を示す図である。
【図19】前記図17に示したN次のΔΣ変調装置を構成する位相変調器の他の具体例の構成を示す図である。
【図20】従来のΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【図21】前記図20に示したΔΣ変調装置に用いられる1ビット量子化器を説明するための図である。
【図22】前記図20に示したΔΣ変調装置を含む5次の局部帰還ループを持つΔΣ変調装置に周波数1KHzの正弦波信号を入力したときに生成される1ビット・オーディオ信号(64Fs)のスペクトラム分布図である。
【符号の説明】
1 加算器、2 積分器、3 1ビット量子化器、78 1ビット量子化器、80 ΔΣ変調装置、81 局部帰還ループ部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a delta-sigma modulation apparatus and method, and a digital signal processing apparatus and method for generating a 1-bit digital signal by subjecting an analog input signal or a multi-bit digital input signal to delta-sigma (ΔΣ) modulation processing.
[0002]
[Prior art]
The ΔΣ modulated high-speed 1-bit audio signal has a very high sampling frequency and short data compared to the data format used in conventional digital audio (for example, sampling frequency 44.1 kHz, data word length 16 bits). It has a word length (for example, sampling frequency is 64 times 44.1 kHz and data word length is 1 bit), and features a wide transmittable frequency band. Also, even with a 1-bit signal by ΔΣ modulation, a high dynamic range can be ensured in an audio band that is low with respect to an oversampling frequency of 64 times. This feature can be applied to high-quality recorders and data transmission.
[0003]
The delta-sigma modulator itself is not a new technology in particular, and the circuit configuration is suitable for IC integration, and the AD conversion accuracy can be obtained relatively easily. It is.
[0004]
The signal subjected to ΔΣ modulation can be returned to an analog audio signal by passing through a simple analog low-pass filter.
[0005]
In addition, the general configuration of this ΔΣ modulator is composed of a combination of an arbitrary number of integrators, one quantizer, and a feedback system for the output of the quantizer, and includes a nonlinear quantizer. Therefore, when an equivalent circuit is evaluated by a transfer function or the like, it is general to analyze by replacing the quantizer approximately.
[0006]
FIG. 20 shows a first conventional example of a ΔΣ modulator. This first conventional example is composed of a combination of one integrator 7, one 1-bit quantizer 8, and a feedback system of the quantized output. Specifically, an adder 6 in which an input signal G is supplied to a positive input terminal and a feedback output to be described later is supplied to a negative input terminal, an integrator 7 that performs integration processing on the addition output of the adder 6, and the integration A 1-bit quantizer 8 that quantizes the integrated output of the generator 7 into a 1-bit digital signal every sampling period. The quantized output H of the 1-bit quantizer 8 is fed back as a negative sign to the adder 6 and added (subtracted as a result) to the input signal G. A 1-bit digital signal H is derived from the 1-bit quantizer 8 as a quantized output. The integrator 7 includes an
[0007]
Here, as shown in FIG. 21, the 1-bit quantizer 8 applies a quantization process to the input signal X (n) with reference to a threshold value Th that is constant with respect to time and is always 0. 1-bit output signal Y (n) is generated. That is, the 1-bit quantizer 8 determines a binary level between 0 and less than 0 with respect to the input signal X (n) as a boundary, and performs a quantization process.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 20 comprises a combination of one integrator 7, one nonlinear 1-bit quantizer 8 as shown in FIG. 21 and a feedback system of the quantizer output. Therefore, when a high-speed 1-bit audio signal having a desired frequency signal is generated, distortion depending on the input signal occurs in the ΔΣ modulator.
[0009]
FIG. 22 shows a spectrum distribution of a 1-bit audio signal (64 fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the conventional ΔΣ modulator. (FFT analysis result) is shown. It can be seen that harmonic noise is generated in the vicinity of
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a delta-sigma modulation apparatus and method for generating a 1-bit digital signal obtained by suppressing distortion depending on an input signal and ΔΣ-modulating only a desired signal component. Objective.
[0011]
In addition, the present invention has been made in view of the above circumstances, and a digital signal that suppresses distortion depending on an input signal peculiar to ΔΣ modulation without deteriorating sound quality by giving frequency characteristics to random noise. It is an object of the present invention to provide a processing device and a digital signal processing method.
[0012]
[Means for Solving the Invention]
In order to solve the above-described problem, a delta-sigma modulation apparatus according to the present invention is a delta-sigma modulation apparatus that performs a delta-sigma modulation process on an input signal and outputs a 1-bit digital signal. An arithmetic means for subtracting a certain 1-bit digital signal, and a plurality of stages for integrating the differential signal in the arithmetic means Composed of integrators Integrating means; quantizing means for quantizing the integrated output of the integrating means to output a 1-bit digital signal; and a feedback loop for feeding back the quantized output of the quantizing means to the computing means as the feedback signal The threshold level referred to in the quantization process in the quantization means is variably controlled relative to the time axis, and the integration of the final stage connected immediately before the quantization means From the vessel Amplitude of only Based on the above, the variable range of the threshold level is determined.
[0013]
In order to solve the above-described problem, the delta-sigma modulation method according to the present invention is a delta-sigma modulation method for performing a delta-sigma modulation process on an input signal and outputting a 1-bit digital signal. An arithmetic step for subtracting a certain 1-bit digital signal, an integration step for integrating the differential signal in the arithmetic step a plurality of times, and a quantum that performs an quantization process on the integration output of the integration step and outputs a 1-bit digital signal And a feedback step that feeds back the quantized output of the quantization step to the calculation step as the feedback signal, and the threshold level referenced in the quantization process in the quantization step is relative to the time axis. And the amplitude in the final stage integration processing performed immediately before the quantization step. only Based on the above, the variable range of the threshold level is determined.
[0014]
In order to solve the above problems, a digital signal processing apparatus according to the present invention includes a calculation unit that calculates a difference between a feedback signal and an input signal, and a plurality of stages that integrates an output signal of the calculation unit. Composed of integrators Integrating means; noise generating means for generating random noise; adding means for adding random noise output from the noise generating means to the integrated output of the integrating means; and adding output from the adding means is 1-bit quantized. Quantizing means, and 1 bit output from the quantizing means Digital A feedback loop means that feeds back a signal to the arithmetic means as the feedback signal, and an integral of the final stage connected immediately before the adding means From the vessel Amplitude of only And a gain adjusting means for adjusting the gain of the random noise generated by the noise generating means, and the adding means is supplied with the random noise whose gain is adjusted by the gain adjusting means. .
[0015]
In order to solve the above problems, a digital signal processing method according to the present invention includes a calculation step of calculating a difference between a feedback signal and an input signal, an integration step of integrating the output signal of the calculation step a plurality of times, and random noise. A noise generation step that occurs, an addition step of adding random noise output from the noise generation step to an integration output of the integration step, a quantization step of quantizing the added output from the addition step by 1 bit, and 1 bit output from the quantization process Digital A feedback step of returning a signal as the feedback signal to the calculation step, and an amplitude in the integration process at the final stage of the integration step performed immediately before the addition step only And a gain adjusting step for adjusting the gain of the random noise generated in the noise generating step, and the adding step is supplied with random noise whose gain has been adjusted in the gain adjusting step. .
[0016]
In order to solve the above problems, a digital signal processing apparatus according to the present invention includes a calculation unit that calculates a difference between a feedback signal and an input signal, and a plurality of stages that integrates the difference signal in the calculation unit. Composed of integrators Integration means, noise generation means for generating random noise, filter means for extracting high frequency components of a noise signal output from the noise generation means, and gain adjustment for performing gain adjustment on the output from the filter means Means for adding the noise signal composed of the high frequency component gain-adjusted by the gain adjusting means and the output signal from the integrating means, and a quantum for quantizing the added output from the adding means by 1 bit And a feedback loop means for feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization means as the feedback signal, and integrating the last stage of the plurality of stages of integration means From the vessel Integral value of only Based on the above, a threshold value in the gain adjusting means is determined.
[0017]
In order to solve the above problems, a digital signal processing method according to the present invention includes a calculation step of calculating a difference between a feedback signal and an input signal, an integration step of integrating the difference signal in the calculation step a plurality of times, and random noise. A noise generating step for generating noise, a filtering step for extracting a high frequency component of a noise signal output from the noise generating step, a gain adjusting step for performing gain adjustment on the output from the filtering step, and the gain adjustment An addition step of adding a noise signal composed of a high frequency component whose gain has been adjusted in the step and an output signal from the integration step, a quantization step of quantizing the added output from the addition step by 1 bit, and the quantum A feedback step of feeding back the 1-bit digital signal output from the conversion step as the feedback signal, and integrating the final stage of the integration step The resultant integral value only On the basis of the threshold value in the gain adjustment step.
[0018]
In order to solve the above problems, a digital signal processing apparatus according to the present invention includes a calculation unit that calculates a difference between a feedback signal and an input signal, an integration unit that integrates the difference signal in the calculation unit, and a random 1 bit. Noise generating means for generating a digital signal, phase modulating means for phase-modulating a random 1-bit digital signal output from the noise generating means, and gain adjusting means for performing gain adjustment on the output from the phase modulating means Adding means for adding a noise signal composed of a high frequency component gain-adjusted by the gain adjusting means and an output signal from the integrating means; and a quantizing means for 1-bit quantizing the output from the adding means; Feedback loop means for feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization means as the feedback signal, and the phase modulation means comprises: An input random 1-bit digital signal is output as a positive-phase output and a negative-phase output based on a first clock, and has a clock double the first clock with respect to the positive-phase output and the negative-phase output. Alternate output based on second clock The integrating means has a plurality of stages of integrators, and the threshold value in the gain adjusting means is determined based only on the integrated value in the final stage integrator. .
[0019]
In order to solve the above problems, a digital signal processing method according to the present invention includes a calculation step of calculating a difference between a feedback signal and an input signal, an integration step of integrating the difference signal in the calculation step, and a random 1 bit. A noise generating step for generating a digital signal, a phase modulation step for phase-modulating a random 1-bit digital signal output from the noise generating step, and a gain adjusting step for performing gain adjustment on the output from the phase modulation step An addition step of adding a noise signal composed of a high frequency component gain-adjusted in the gain adjustment step and an output signal from the integration step, and a quantization step of quantizing the output from the addition step by 1 bit A feedback step of feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization step as the feedback signal. In the phase modulation step, The random 1-bit digital signal is output as a positive-phase output and a negative-phase output based on a first clock, and has a second clock that is double the first clock with respect to the positive-phase output and the negative-phase output. Alternate output based on 2 clocks In the integration step, a plurality of stages of integration processing are performed, and the threshold value in the gain adjustment step is determined based only on the integration value in the final stage integration processing. .
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, several embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, in the first embodiment of the present invention, an analog audio signal or a multi-bit digital audio signal is used as an input signal, and this input signal is subjected to delta-sigma (ΔΣ) modulation processing to generate a high-speed 1-bit audio signal. The ΔΣ modulation device.
[0021]
As shown in FIG. 1, this ΔΣ modulation apparatus includes an
[0022]
Here, the
[0023]
The 1-
[0024]
Next, the ΔΣ modulation processing operation performed on the input signal A by the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG.
First, the
[0025]
Next, the 1-
[0026]
As described above, the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 1 sets the threshold level Th referred to in the quantization process in the 1-
[0027]
Next, a method for calculating the optimum value of the variable threshold level in the 1-
The behavior of the 1-
[0028]
Here, since the signal input to the conventional 1-bit quantizer is an output signal of the final stage integrator described later, the relative variable obtained based on the amplitude of the final stage integrator is It affects the effect of suppressing distortion.
[0029]
The ΔΣ modulator generally includes a plurality of integrators corresponding to the order. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an example of an Nth-order ΔΣ modulator.
[0030]
The actual optimum variable threshold level is calculated by the
[0031]
Δq = SαD end ... (1)
If this calculation method is used, a result obtained by multiplying a constant uniquely determined by any ΔΣ modulation configuration can be set to an optimum variable threshold level.
[0032]
In this way, for any ΔΣ modulator, the optimum amount is obtained by the above calculation method based on the amplitude of the signal in the final-stage integrator used therein, and the threshold is set with the appropriate amount of random noise. Can be suppressed in a stable operation and without deteriorating the S / N without depending on the input signal peculiar to ΔΣ modulation.
[0033]
FIG. 4 shows a flowchart for designing a ΔΣ modulator using the variable threshold level calculation method. First, in step S1, a desired ΔΣ modulator is configured. Next, in step S2, the amplitude of the signal in the final stage integrator is measured. In step S3, the variable threshold level Δq is calculated using the equation (1). Thereafter, the variable threshold level Δq is set in step S4, and in step S5, it is determined whether or not to continue the use change process of the ΔΣ modulator, and if so, the process from step S1 is repeated. If the use change process is terminated (NO), the series of processes is terminated.
[0034]
According to the design flow shown in FIG. 4, in any ΔΣ modulation design, ΔΣ modulation can be flexibly reconfigured by using the variable threshold level quantization of the present invention, and the above effect can be expected. That is, even when the configuration of the ΔΣ modulator is changed according to the purpose, the above effect can be expected as long as the fluctuation width in the signal in the final stage integrator can be known.
[0035]
By using the method for calculating the variable threshold level Δq, it is possible to determine the effective range of the threshold level to be varied randomly, for example, within 75%. If the threshold level is greater than 75%, the distortion depending on the input signal A cannot be sufficiently suppressed.
[0036]
Next, FIG. 5 shows a configuration of a ΔΣ modulator 80 including a plurality of integrators including the ΔΣ modulator shown in FIG. In FIG. 5, the
[0037]
The ΔΣ modulator 80 shown in FIG. 5 is a fifth-order ΔΣ modulator provided with five
[0038]
In addition, this ΔΣ modulator 80 includes
[0039]
The
[0040]
The integrated output from the
[0041]
The 1-
[0042]
Therefore, in the quantization process performed by the 1-
[0043]
The
[0044]
[0045]
The
[0046]
Although not shown, the
[0047]
Therefore, the ΔΣ modulator 80 makes the threshold level referred to in the quantization process in the 1-
[0048]
FIG. 6 shows a spectrum distribution of a 1-bit audio signal (64 fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to the ΔΣ modulator 80 having the fifth-order local feedback loop shown in FIG. (FFT analysis result) is shown. Harmonic noise in the vicinity of
[0049]
As described above, in the delta-sigma modulation apparatus according to the first embodiment, when any delta-sigma modulation design is designed using quantization of a variable threshold level, the amplitude of the signal in the final stage integrator is used. Can be calculated, the optimum variable threshold level can be calculated. Therefore, even when ΔΣ modulation is flexibly reconfigured according to the purpose with an optimal variable threshold level by simulation or the like, it is possible to suppress the occurrence of distortion depending on the input signal peculiar to ΔΣ modulation. Note that the optimal variable threshold level means that the operation of ΔΣ modulation itself is stable and that the S / N does not deteriorate as a characteristic, other than suppressing the occurrence of distortion depending on the input signal peculiar to ΔΣ modulation. Means.
[0050]
In the first embodiment, the optimum variable threshold level is calculated using the
Used to prevent oscillation and system instability.
[0051]
Incidentally, the distortion dependent on the input signal generated by the ΔΣ modulator shown in FIG. 20 using the nonlinear 1-bit quantizer 8 shown in FIG. 21 will be described below. Some measures have been taken. A ΔΣ modulation apparatus that has taken several measures will be described as first to third comparative examples.
[0052]
First, in the first comparative example, a random signal r such as a dither signal is supplied to the adder 6 from the random signal generator 14 together with the input signal A as in the ΔΣ modulator shown in FIG. .
[0053]
However, when the random signal r is input together with the input signal A in this way, the 1-bit audio signal E ′ generated through the integrator 7 and the 1-bit quantizer 8 includes, in addition to a desired signal component, A component (random signal r) added to suppress distortion is also included.
[0054]
Spectrum distribution (FFT analysis) of a 1-bit audio signal (64 fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the ΔΣ modulator shown in FIG. The results are shown in FIG. Since random noise is added, compared to the spectrum distribution based on the present embodiment shown in FIG. 6, the level of the noise floor up to 20 KHz is generally flat and increased by about 20 dB. Noise is hidden by random noise added by the adder 6 to the input signal.
[0055]
Next, in the second comparative example, an appropriate DC component d is supplied from the DC signal generator 18 to the adder 6 together with the input signal A as in the ΔΣ modulator shown in FIG.
[0056]
However, when the DC component d is input together with the input signal A in this way, the 1-bit audio signal E ` generated through the integrator 7 and the 1-bit quantizer 8 includes, in addition to the desired signal component, Components added to suppress distortion (DC components) are also included.
[0057]
Spectrum distribution (FFT analysis) of 1-bit audio signal (64 fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the ΔΣ modulator shown in FIG. The results are shown in FIG. Since random noise is added, the level of the noise floor from 1 KHz to 10 KHz is flat compared to the spectrum distribution based on the present embodiment shown in FIG. The DC component added to the input signal by the adder 6 hides noise from 1 KHz to 10 KHz.
[0058]
Next, in the third comparative example, as in the ΔΣ modulator shown in FIG. 11, the distortion component due to the input signal A is obtained, and the distortion component is supplied from the distortion canceller 22 to the adder 6.
[0059]
However, in the third comparative example, since distortion is determined from the result of passing the input signal A through the ΔΣ modulator in advance, it is difficult to predict the distortion in advance, and the distortion canceller 22 is used. In theory, there was a risk of distortion due to the influence of self-confidence.
[0060]
In contrast to the third comparative example, the ΔΣ modulator according to the present embodiment shown in FIG. 1 can suppress distortion in advance and needs an additional component to suppress distortion along with the input signal. Therefore, it is possible to generate a high-speed 1-bit signal in which only a desired signal component is ΔΣ-modulated.
[0061]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, an analog audio signal or a multi-bit digital audio signal is used as an input signal, and the input signal is subjected to integration processing and quantization processing to generate a high-speed 1-bit audio signal. It is a ΔΣ modulation device which is a kind of device.
[0062]
As shown in FIG. 12, the ΔΣ modulator of the second embodiment includes an
[0063]
In the ΔΣ modulation apparatus of the second embodiment, an adder 12 is inserted between the
[0064]
Next, a ΔΣ modulation operation performed on the input signal A by the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG.
First, the
[0065]
The adder 12 is also supplied with a random signal r ′ from the
[0066]
The 1-bit quantizer 8 performs a quantization process on the integrated output I to which the random signal r ′ is added, and outputs a 1-bit digital signal E.
[0067]
In the ΔΣ modulator shown in FIG. 12, a random signal r ′ is added to the integral output C ′ immediately before the integral output C ′ is quantized. This is equivalent to the threshold value of the 1-bit quantizer 8 changing randomly.
[0068]
Spectrum distribution of 1-bit audio signal (64 fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the ΔΣ modulator of the second embodiment (FFT analysis result) is the same as the characteristic shown in FIG.
[0069]
The ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 7 as the first comparative example also uses the random signal generator 14, but adds a random signal to the input signal to the ΔΣ modulation apparatus. The configuration is clearly different from the ΔΣ modulator shown in FIG. 12 which adds a random signal to the internal integral output. Further, as apparent from comparison between the spectrum distributions of FIG. 6 and FIG. 8, the spectrum distribution (FIG. 8) of the ΔΣ modulation device of FIG. 12 has a generally flat noise floor level up to 20 KHz. In addition, it can be seen that the feature of increasing by about 20 dB is not seen, and it is possible to generate a high-speed 1-bit signal in which only a desired signal component is ΔΣ-modulated.
[0070]
Therefore, even in the ΔΣ modulation apparatus according to the second embodiment, distortion can be suppressed in advance and a component to be added to suppress distortion along with the input signal is not required. Therefore, only a desired signal component is ΔΣ modulated. A high-speed 1-bit signal can be generated. Furthermore, since it is sufficient to add a random signal generator immediately before quantization based on an existing ΔΣ modulator, a simple configuration can be achieved.
[0071]
Next, a modification of the ΔΣ modulation apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The ΔΣ modulation device according to this modification includes a plurality of integrators corresponding to the orders. FIG. 13 is a schematic configuration diagram of an example of an Nth-order ΔΣ modulator.
[0072]
As described above, the modification of the ΔΣ modulator shown in FIG. 13 includes the
[0073]
The
[0074]
| R n | ≦ Δq (2)
The random noise signal R with the gain adjusted in this way n Is added by the adder 12 to the
[0075]
Therefore, the ΔΣ modulator shown in FIG. 13 can vary the quantization at an optimum variable threshold level, so that it can operate stably and does not deteriorate the S / N, so that an input signal unique to the ΔΣ modulator can be obtained. The dependent distortion can be suppressed.
[0076]
In addition, since the calculation method of the appropriate amount is based on the amplitude of the signal in the final-stage integrator, the amplitude of the signal in the final-stage integrator used inside any ΔΣ modulator is used. If the optimal amount is calculated with the above calculation method based on the above, and the threshold value is varied with the appropriate amount of random noise, it depends on the input signal peculiar to ΔΣ modulation with stable operation and without deteriorating the S / N. Distortion can be suppressed.
[0077]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, an analog audio signal or a multi-bit digital audio signal is used as an input signal, and the input signal is subjected to integration processing and quantization processing to generate a high-speed 1-bit audio signal. It is a ΔΣ modulation device which is a kind of device.
[0078]
The ΔΣ modulation apparatus according to the third embodiment also includes a plurality of integrators corresponding to the orders. FIG. 15 is a schematic configuration diagram of an example of an Nth-order ΔΣ modulator.
[0079]
FIG. 16 shows a time domain characteristic (a) and a frequency domain characteristic (b) of a random noise signal Dth_hf from which a high frequency component has been extracted by the HPF filter 33.
[0080]
The
[0081]
That is, in the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 15, the
[0082]
As described above, the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 15 includes the
[0083]
As shown in the following equation (3), the
[0084]
| Dth_hf | ≦ Δq (3)
The random noise signal Dth_hf whose gain is adjusted in this way is added to the
[0085]
Focusing on the frequency characteristics of an optimal amount of random noise added immediately before quantization, the effect of suppressing distortion that depends on the input signal peculiar to ΔΣ modulation is how fast the quantization threshold level is at high speed with respect to time. Therefore, if only the variable quantization threshold level of the high frequency component is used, the effect of suppressing distortion can be expected.
[0086]
That is, when an appropriate amount of random noise is added immediately before a normal 1-bit quantizer, distortion can be suppressed only with high-frequency component random noise. This is because random noise of a low frequency component (which corresponds to an audible bandwidth component in a high-speed 1-bit audio stream) that has an adverse effect on sound quality is not required.
[0087]
Therefore, the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 15 uses the variable quantization threshold level having frequency characteristics to suppress distortion dependent on the input signal peculiar to ΔΣ modulation without any deterioration in sound quality. Realized.
[0088]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, an analog audio signal or a multi-bit digital audio signal is used as an input signal, and the input signal is subjected to integration processing and quantization processing to generate a high-speed 1-bit audio signal. It is a ΔΣ modulation device which is a kind of device.
[0089]
The ΔΣ modulation apparatus of the fourth embodiment also includes a plurality of integrators corresponding to the orders. FIG. 17 is a schematic configuration diagram of an example of an Nth-order ΔΣ modulator.
[0090]
The
[0091]
[0092]
[0093]
The clock CK is a
[0094]
The
[0095]
The
[0096]
Phase modulation is a modulation method in which polarity is inverted when data is “1” and downward when “0”. When the data rate after modulation is double that before modulation, “1” is obtained. The data is converted to 01 when it is “0”, and 10 when it is “0”.
[0097]
Therefore, the phase modulation signal Dth_pm output after being switched by the
[0098]
By repeating such phase modulation processing and performing multiple phase modulation, the
[0099]
Further, the
[0100]
The
[0101]
Since this
[0102]
As described above, in the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 17, the 1-bit dither signal is used, so that the audible range component can be attenuated with the 1-bit signal. The audible range component can be attenuated while eliminating the need for the HPF filter used in the third embodiment. Further, the
[0103]
That is, by performing phase modulation several times, it is possible to generate random noise that is a frequency characteristic having no audible range component as it is as a 1-bit signal. Further, when an HPF filter is used as shown in FIG. 15 when configured with hardware or the like, the scale becomes large in designing a filter that can sufficiently attenuate the audible range component. However, as shown in FIG. The configuration using the modulation has an advantage that it can be easily configured on a small scale.
[0104]
As described above, the delta-sigma modulation device according to the third embodiment and the delta-sigma modulation device according to the fourth embodiment deteriorate the sound quality by providing frequency characteristics in the quantization of the variable threshold level. And the effect of suppressing distortion depending on the input signal peculiar to ΔΣ modulation is realized.
[0105]
In addition, the ΔΣ modulation apparatus according to the fourth embodiment that gives frequency characteristics to random noise such as dither while maintaining a high-speed 1-bit audio stream can be realized easily and on a small scale by using multiple phase modulation. This is very advantageous in terms of hardware design and the like compared to using a filter.
[0106]
Also in the third and fourth embodiments, the optimum variable threshold level is calculated by the
[0107]
【The invention's effect】
In the delta-sigma modulation device according to the present invention, the threshold level referenced in the quantization process performed by the quantization unit is relatively variable with respect to the time axis, so that distortion depending on the input signal is suppressed and desired It is possible to generate a 1-bit digital signal obtained by subjecting only the signal component to ΔΣ modulation.
[0108]
In the delta-sigma modulation method according to the present invention, the threshold level referenced in the quantization process in the quantization step is relatively variable with respect to the time axis, so that distortion depending on the input signal is suppressed, and a desired signal component It is possible to generate a 1-bit digital signal obtained by subjecting only the signal to ΔΣ modulation.
[0109]
The digital signal processing apparatus and digital signal processing method according to the present invention suppress the distortion depending on the input signal peculiar to ΔΣ modulation without deteriorating the sound quality by giving the frequency characteristics to the random noise.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ modulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a 1-bit quantizer used in the ΔΣ modulator.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an example of an Nth-order ΔΣ modulator.
FIG. 4 is a flowchart for designing a ΔΣ modulator using a variable threshold level calculation method.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ modulation apparatus including a plurality of integrators.
6 is a spectrum distribution diagram of a 1-bit audio signal (64 Fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to the ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop shown in FIG. 5; is there.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ modulation apparatus as a first comparative example.
FIG. 8 shows a 1-bit audio signal (64 Fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the ΔΣ modulator of the first comparative example. FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ modulation apparatus as a second comparative example.
FIG. 10 shows a 1-bit audio signal (64 Fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the ΔΣ modulator of the second comparative example. FIG.
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ modulation apparatus as a third comparative example.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ modulation apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of an Nth-order ΔΣ modulation apparatus, which is a modification of the second embodiment.
14 shows a random noise signal R from a random signal generator constituting the Nth-order ΔΣ modulator shown in FIG. n It is a figure which shows the time domain characteristic (a) of this, and a frequency domain characteristic (b).
FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of an Nth-order ΔΣ modulation apparatus according to a third embodiment of the present invention.
16 is a random noise signal D from which high-frequency components have been extracted by the HPF filter constituting the Nth-order ΔΣ modulator shown in FIG. 15; th_hf It is a figure which shows the time domain characteristic (a) of this, and a frequency domain characteristic (b).
FIG. 17 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an Nth-order ΔΣ modulation apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
18 is a diagram showing a configuration of a specific example of a phase modulator that constitutes the Nth-order ΔΣ modulation device shown in FIG. 17;
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of another specific example of the phase modulator constituting the Nth-order ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 17;
FIG. 20 is a block diagram showing a configuration of a conventional ΔΣ modulator.
FIG. 21 is a diagram for explaining a 1-bit quantizer used in the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 20;
22 shows a 1-bit audio signal (64 Fs) generated when a sine wave signal having a frequency of 1 KHz is input to a ΔΣ modulator having a fifth-order local feedback loop including the ΔΣ modulator shown in FIG. It is a spectrum distribution map.
[Explanation of symbols]
1 adder, 2 integrator, 3 1-bit quantizer, 78 1-bit quantizer, 80 ΔΣ modulator, 81 local feedback loop
Claims (10)
前記入力信号と帰還信号である1ビットデジタル信号とを差分する演算手段と、
前記演算手段での差分信号を積分する複数段の積分器から構成された積分手段と、
前記積分手段の積分出力に量子化処理を施して1ビットデジタル信号を出力する量子化手段と、
前記量子化手段の量子化出力を前記帰還信号として前記演算手段に帰還する帰還ループとを備え、
前記量子化手段における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変に制御すると共に、前記量子化手段の直前に接続される最終段の積分器からの振幅のみに基づいて前記閾値レベルの可変範囲を決定するデルタシグマ変調装置。In a delta-sigma modulation device that performs delta-sigma modulation processing on an input signal and outputs a 1-bit digital signal,
Arithmetic means for subtracting the input signal and the 1-bit digital signal as a feedback signal;
Integrating means composed of a plurality of stages of integrators for integrating the difference signal in the calculating means;
Quantization means for applying a quantization process to the integration output of the integration means and outputting a 1-bit digital signal;
A feedback loop that feeds back the quantized output of the quantizing means to the computing means as the feedback signal;
Based on only the amplitude from the last stage integrator connected immediately before the quantization means, while controlling the threshold level referred to in the quantization process in the quantization means to be variable relative to the time axis. A delta-sigma modulator that determines a variable range of the threshold level.
前記入力信号と帰還信号である1ビットデジタル信号とを差分する演算工程と、
前記演算工程での差分信号を複数回積分する積分工程と、
前記積分工程の積分出力に量子化処理を施して1ビットデジタル信号を出力する量子化工程と、
前記量子化工程による量子化出力を前記帰還信号として前記演算工程に帰還する帰還工程とを備え、
前記量子化工程における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変に制御すると共に、前記量子化工程の直前に行われた最終段の積分処理における振幅のみに基づいて前記閾値レベルの可変範囲を決定するデルタシグマ変調方法。In a delta-sigma modulation method of performing a delta-sigma modulation process on an input signal and outputting a 1-bit digital signal,
An arithmetic step of subtracting the input signal and a 1-bit digital signal as a feedback signal;
An integration step of integrating the difference signal in the calculation step multiple times;
A quantization step of performing a quantization process on the integration output of the integration step and outputting a 1-bit digital signal;
A feedback step of returning the quantized output of the quantization step to the calculation step as the feedback signal,
The threshold level referred to in the quantization process in the quantization process is variably controlled relative to the time axis, and based only on the amplitude in the final stage integration process performed immediately before the quantization process. A delta-sigma modulation method for determining a variable range of the threshold level.
前記演算手段の出力信号を積分する複数段の積分器から構成された積分手段と、
ランダムノイズを発生するノイズ発生手段と、
前記ノイズ発生手段から出力されるランダムノイズを前記積分手段の積分出力に加算する加算手段と、
前記加算手段からの加算出力を1ビット量子化する量子化手段と、
前記量子化手段から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として前記演算手段に帰還する帰還ループ手段と、
前記加算手段の直前に接続される最終段の積分器からの振幅のみに基づいて、前記ノイズ発生手段により発生されたランダムノイズのゲインを調整するゲイン調整手段とを備えてなり、
前記加算手段には前記ゲイン調整手段にてゲインが調整されたランダムノイズが供給される
デジタル信号処理装置。A computing means for computing the difference between the feedback signal and the input signal;
Integrating means composed of a plurality of stages of integrators for integrating the output signal of the computing means;
Noise generating means for generating random noise;
Adding means for adding random noise output from the noise generating means to the integrated output of the integrating means;
Quantization means for 1-bit quantization of the addition output from the addition means;
Feedback loop means for feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization means to the computing means as the feedback signal;
Gain adjusting means for adjusting the gain of the random noise generated by the noise generating means based only on the amplitude from the integrator of the final stage connected immediately before the adding means,
A digital signal processing device, wherein random noise whose gain is adjusted by the gain adjusting means is supplied to the adding means.
前記演算工程の出力信号を複数回積分する積分工程と、
ランダムノイズを発生するノイズ発生工程と、
前記ノイズ発生工程から出力されるランダムノイズを前記積分工程の積分出力に加算する加算工程と、
前記加算工程からの加算出力を1ビット量子化する量子化工程と、
前記量子化工程から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として前記演算工程に帰還する帰還工程と、
前記加算工程の直前に行われる積分工程の最終段の積分処理での振幅のみに基づいて、前記ノイズ発生工程により発生されたランダムノイズのゲインを調整するゲイン調整工程とを備えてなり、
前記加算工程には前記ゲイン調整工程にてゲインが調整されたランダムノイズが供給される
デジタル信号処理方法。A calculation step of calculating a difference between the feedback signal and the input signal;
An integration step of integrating the output signal of the calculation step a plurality of times;
A noise generation process for generating random noise;
An addition step of adding random noise output from the noise generation step to an integration output of the integration step;
A quantization step of quantizing the addition output from the addition step by 1 bit;
A feedback step of feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization step to the calculation step as the feedback signal;
A gain adjustment step of adjusting the gain of the random noise generated by the noise generation step based only on the amplitude in the integration processing at the final stage of the integration step performed immediately before the addition step,
A digital signal processing method in which random noise whose gain has been adjusted in the gain adjusting step is supplied to the adding step.
前記演算手段での差分信号を積分する複数段の積分器から構成された積分手段と、
ランダムノイズを発生するノイズ発生手段と、
前記ノイズ発生手段から出力されるノイズ信号の高域成分を抽出するフィルター手段と、
前記フィルター手段からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整手段と、
前記ゲイン調整手段にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分手段からの出力信号とを加算する加算手段と、
前記加算手段からの加算出力を1ビット量子化する量子化手段と、
前記量子化手段から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還ループ手段とを備えてなり、
前記複数段の積分手段の内の最終段の積分器からの積分値のみに基づいて前記ゲイン調整手段での閾値を決定する
デジタル信号処理装置。A computing means for computing the difference between the feedback signal and the input signal;
Integrating means composed of a plurality of stages of integrators for integrating the difference signal in the calculating means;
Noise generating means for generating random noise;
Filter means for extracting a high frequency component of a noise signal output from the noise generating means;
Gain adjusting means for performing gain adjustment on the output from the filter means;
Adding means for adding a noise signal composed of a high frequency component gain-adjusted by the gain adjusting means and an output signal from the integrating means;
Quantization means for 1-bit quantization of the addition output from the addition means;
Feedback loop means for feeding back a 1-bit digital signal output from the quantization means as the feedback signal;
A digital signal processing apparatus that determines a threshold value in the gain adjusting means based only on an integration value from a last-stage integrator of the plurality of stages of integrating means.
前記演算工程での差分信号を複数回積分する積分工程と、
ランダムノイズを発生するノイズ発生工程と、
前記ノイズ発生工程から出力されるノイズ信号の高域成分を抽出するフィルタリング工程と、
前記フィルタリング工程からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整工程と、
前記ゲイン調整工程にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分工程からの出力信号とを加算する加算工程と、
前記加算工程からの加算出力を1ビット量子化する量子化工程と、
前記量子化工程から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還工程とを備えてなり、
前記積分工程の最終段の積分処理で得られた積分値のみに基づいて前記ゲイン調整工程での閾値を決定する
デジタル信号処理方法。A calculation step of calculating a difference between the feedback signal and the input signal;
An integration step of integrating the difference signal in the calculation step multiple times;
A noise generation process for generating random noise;
A filtering step of extracting a high frequency component of a noise signal output from the noise generation step;
A gain adjustment step of performing gain adjustment on the output from the filtering step;
An addition step of adding a noise signal composed of a high frequency component gain-adjusted in the gain adjustment step and an output signal from the integration step;
A quantization step of quantizing the addition output from the addition step by 1 bit;
A feedback step of feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization step as the feedback signal,
A digital signal processing method for determining a threshold value in the gain adjustment step based only on an integration value obtained by the integration processing in the final stage of the integration step.
前記演算手段での差分信号を積分する積分手段と、
ランダムな1ビットデジタル信号を発生するノイズ発生手段と、
前記ノイズ発生手段から出力されるランダムな1ビットデジタル信号を位相変調する位相変調手段と、
前記位相変調手段からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整手段と、
前記ゲイン調整手段にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分手段からの出力信号を加算する加算手段と、
前記加算手段からの出力を1ビット量子化する量子化手段と、
前記量子化手段から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還ループ手段と
を備えてなり、
前記位相変調手段は、入力されるランダムな1ビットデジタル信号を第1のクロックに基づいて正相出力及び逆相出力として出力し、前記正相出力及び逆相出力に対して前記第1のクロックの倍のクロックを有する第2のクロックに基づいて交互に出力し、
前記積分手段は複数段の積分器を有し、最終段の積分器での積分値のみに基づいて前記ゲイン調整手段での閾値を決定する
デジタル信号処理装置。A computing means for computing the difference between the feedback signal and the input signal;
Integrating means for integrating the difference signal in the computing means;
Noise generating means for generating a random 1-bit digital signal;
Phase modulation means for phase modulating a random 1-bit digital signal output from the noise generation means;
Gain adjusting means for performing gain adjustment on the output from the phase modulating means;
An adding means for adding a noise signal composed of a high frequency component gain-adjusted by the gain adjusting means and an output signal from the integrating means;
Quantization means for 1-bit quantization of the output from the addition means;
Feedback loop means for feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization means as the feedback signal,
The phase modulation means outputs an input random 1-bit digital signal as a normal phase output and a reverse phase output based on a first clock, and the first clock with respect to the normal phase output and the reverse phase output. Output alternately based on a second clock having twice as many clocks ,
The digital signal processing apparatus, wherein the integrating means includes a plurality of stages of integrators, and a threshold value in the gain adjusting means is determined based only on an integrated value in the final stage integrator .
前記演算工程での差分信号を積分する積分工程と、
ランダムな1ビットデジタル信号を発生するノイズ発生工程と、
前記ノイズ発生工程から出力されるランダムな1ビットデジタル信号を位相変調する位相変調工程と、
前記位相変調工程からの出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整工程と、
前記ゲイン調整工程にてゲイン調整された高域成分からなるノイズ信号と前記積分工程からの出力信号を加算する加算工程と、
前記加算工程からの出力を1ビット量子化する量子化工程と、
前記量子化工程から出力される1ビットデジタル信号を前記帰還信号として帰還する帰還工程とを備えてなり、
前記位相変調工程では、入力されるランダムな1ビットデジタル信号を第1のクロックに基づいて正相出力及び逆相出力として出力し、前記正相出力及び逆相出力に対して前記第1のクロックの倍のクロックを有する第2のクロックに基づいて交互に出力し、
前記積分工程では複数段の積分処理を行い、最終段の積分処理での積分値のみに基づいて前記ゲイン調整工程での閾値を決定する
デジタル信号処理方法。A calculation step of calculating a difference between the feedback signal and the input signal;
An integration step of integrating the difference signal in the calculation step;
A noise generating step for generating a random 1-bit digital signal;
A phase modulation step of phase modulating a random 1-bit digital signal output from the noise generation step;
A gain adjustment step for performing gain adjustment on the output from the phase modulation step;
An addition step of adding a noise signal composed of a high frequency component gain-adjusted in the gain adjustment step and an output signal from the integration step;
A quantization step for quantizing the output from the addition step by 1 bit;
A feedback step of feeding back the 1-bit digital signal output from the quantization step as the feedback signal,
In the phase modulation step, an input random 1-bit digital signal is output as a normal phase output and a negative phase output based on a first clock, and the first clock is output with respect to the positive phase output and the negative phase output. Output alternately based on a second clock having twice as many clocks ,
A digital signal processing method in which a plurality of stages of integration processing are performed in the integration step, and a threshold value in the gain adjustment step is determined based only on an integration value in the final stage integration processing .
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