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JP3870575B2 - Delta-sigma modulation apparatus and method, and digital signal processing apparatus - Google Patents
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Delta-sigma modulation apparatus and method, and digital signal processing apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数ビットのディジタル信号にデルタシグマ(ΔΣ)変調処理を施して1ビットディジタル信号を得るデルタシグマ変調装置及び方法、並びにディジタル信号処理装置に関する。
【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変調回路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から従来から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】
ところで、ΔΣ変調された1ビット信号に何らかの信号処理を行った場合、処理過程で信号のビット長が拡張されるために、このビット拡張された信号をΔΣ変調器によって再び1ビットに再量子化する必要がある。
【0006】
ここで再量子化を行うΔΣ変調器としては、可聴帯域での量子化ノイズレベルを抑えた特性を得るために、一般的に局部帰還ループを持つΔΣ変調器がよく用いられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、局部帰還ループを用いた場合、同ループ内の演算処理によってデータの語長が拡張し、またループによってこの語長は無限に拡大する。このため、有限語長のアキュムレータでこの処理を行う場合、桁落ちによるデータの切り捨てが生じてしまう。
【0008】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、局部帰還ループでのデータの切り捨てによって生じる信号劣化を抑えながらも複数mビットのディジタル信号を1ビットディジタル信号に変調するデルタシグマ変調装置及び方法、並びにディジタル信号処理装置の提供を目的とする。
【0009】
本発明に係るデルタシグマ変調装置は、上記課題を解決するために、複数mビットのディジタル信号を1ビットディジタル信号に変調するデルタシグマ変調装置において、複数n個の積分手段と、上記複数n個の積分手段のうちの所定番目の積分手段の積分出力を減衰する減衰手段と、上記減衰手段からの減衰出力を再量子化して上記所定番目の積分手段よりも前の積分手段に帰還するノイズシェーパとを有する局部帰還ループ手段とを備える。
【0010】
ここで、上記局部帰還ループ手段は、複数n個の積分手段の内の2番目以降の積分手段の出力を前段の積分手段に帰還する。また、上記局部帰還ループ手段は、局部減衰手段とノイズシェーピング手段とを備える。
【0011】
さらに、本発明に係るデルタシグマ変調装置は、上記複数n個の積分手段と、上記局部帰還ループ手段の他に、上記複数n個の各積分手段の前で、各積分手段にmビットのディジタル信号を入力する演算手段と、上記複数n個の積分手段の1番目から(n−1)番目の各積分手段の後ろにそれぞれ接続される(n−1)個の減衰手段と、上記n個の積分手段の内のn番目の積分手段に接続される1ビット量子化手段と、上記1ビット量子化手段からの1ビットディジタル信号のビット長をmビットに変換し、上記各積分手段の入力となるように上記演算手段に供給するビット長変換手段とを備える。
【0012】
また、本発明に係るデルタシグマ変調方法は、上記課題を解決するために、複数mビットのディジタル信号を1ビットディジタル信号に変調するデルタシグマ変調装置により実行されるデルタシグマ変調方法において、複数n個の積分手段のうちの所定番目の積分手段の積分出力を減衰する減衰工程と、上記減衰工程からの減衰出力を再量子化して上記所定番目の積分手段よりも前の積分手段に帰還するノイズシェーパ工程とを有する局部帰還ループ工程とを備える。
【0013】
したがって、上記デルタシグマ変調装置及び方法によれば、局部帰還ループの一巡によって生じるデータ長の拡張分を、ループ内にノイズシェーパーを用いて再量子化することにより、一切データの切り捨て過程の存在しないΔΣ変調処理を実現する。
【0014】
本発明に係るディジタル信号処理装置は、上記課題を解決するために、デルタシグマ変調により得られた1ビットディジタル信号に所定の演算を施してmビットの演算処理信号を得る演算処理手段と、この演算処理手段からの演算処理信号に再デルタシグマ変調処理を施して1ビットディジタル信号を得るデルタシグマ変調手段とを備え、上記デルタシグマ変調手段は、複数n個の積分手段と、上記複数n個の積分手段のうちの所定番目の積分手段の積分出力を減衰する減衰手段と上記減衰手段からの減衰出力を再量子化して上記所定番目の積分手段よりも前の積分手段に帰還するノイズシェーパとを有する局部帰還ループ手段とを備える。
【0015】
このため、ΔΣ変調された1ビット信号に対する各種高音質なディジタル信号処理が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、デルタシグマ(ΔΣ)変調された高速1ビット・オーディオ信号に対する1ビット信号処理装置の一例である。
【0017】
図1に示すように、1ビット信号処理装置1は、演算処理装置3とΔΣ変調装置5とを備えている。演算処理装置3の内部には乗算器4が設けられており、図示しない係数発生器からの所定の係数を上記1ビット信号に乗算することで例えばフェード処理のような何らかのレベル変更処理を行うことができる。このとき1ビットのディジタル信号はmビットにビット拡張される。このmビットに拡張された信号はΔΣ変調装置5によって再び元の1ビット信号に再変調される。従ってここで用いられるΔΣ変調装置5は、1ビット信号処理装置1からの出力信号の音質に大きく影響を与える。
【0018】
なお、入力端子2から1ビット信号処理装置1に供給される1ビット信号は、図2に示すΔΣ変調器により生成されている。図2において、入力端子7からの入力オーディオ信号は加算器8を通じて積分器9に供給される。この積分器9からの信号は比較器10に供給され、入力オーディオ信号の中点電位と比較されて1サンプル期間ごとに1ビット量子化される。なおサンプル期間の周波数(サンプリング周波数)は、従来の48kHz、44.1kHzに対して、その64倍あるいは128倍となる。この量子化データが1サンプル遅延器12に供給されて1サンプル期間分遅延される。この遅延データが例えば1ビットのD/A変換器13でアナログ信号に変換されて加算器8に供給され、入力端子7からの入力オーディオ信号に加算される。そして比較器10から量子化データが出力端子11を介して取り出される。
【0019】
図3には上記ΔΣ変調装置5の第1具体例を示す。このΔΣ変調装置5の第1具体例は3個の積分器23,28及び33を備えた3次のΔΣ変調装置である。また、このΔΣ変調装置5は、3個の積分器23,28及び33の出力を減衰してから再量子化して前の積分器の入力に帰還する局部帰還ループ部44を備える。特に、局部帰還ループ部44は、3個の積分器23,28及び33の内の3番目の積分器33の出力を2番目の積分器28の入力に帰還する。局部帰還ループ部44は、局部帰還減衰器38と、ノイジシェーパ39とを備えている。
【0020】
また、このデルタシグマ変調装置5は、上記3個の各積分器23,28及び33の前で、各積分器23,28及び33にmビットのディジタル信号を入力する演算手段となる加算器22,27及び32と、上記3個の積分器の1番目と2番目の積分器28及び33の後ろにそれぞれ接続される2個の減衰器26及び31と、上記3個の積分器の内の3番目の積分器に接続される1ビット量子化器36と、この1ビット量子化器36からの1ビットディジタル信号のビット長をmビットに変換し、上記各積分器23,28及び33の入力となるように加算器22,27及び32に供給するビット長変換器37とを備える。
【0021】
1番目の積分器23は、入力端子21及び加算器22を介して供給されたmビットのディジタル信号を積分する。このため、加算器24からの加算出力をシフト演算器25でシフトし、加算器24に戻す構成をとる。
【0022】
2番目の積分器28も同様に、加算器29からの加算出力をシフト演算器30でシフトし、加算器29に戻す構成をとる。また、3番目の積分器33も加算器34からの加算出力をシフト演算器35でシフトし、加算器34に戻す構成をとる。
【0023】
3番目の積分器33からの積分出力は1ビット量子化器36及び局部帰還ループ部44の局部帰還減衰器38に供給される。1ビット量子化器36は、上記積分出力を1ビット量子化し、出力端子6から導出すると共に、ビット長変換器37に供給する。
【0024】
ビット長変換器37は、上記1ビット量子化器36からの1ビット信号をmビットのディジタル信号に変換し、上記各加算器22,27及び32に負符号を付して帰還する。したがって、各加算器22,27及び32は、入力端子21又は前段の積分器23,28から減衰器26及び31を介して供給されるmビットのディジタル信号からビット長変換器37の変換出力であるmビット信号を減算する。
【0025】
減衰器26及び31は1番目の積分器23及び2番目の積分器28の積分出力を減衰し、加算器27及び加算器32に供給する。
【0026】
局部帰還ループ部44の局部帰還減衰器38は、3番目の積分器33からの積分出力を減衰し、ノイズシェーパ39に供給する。
【0027】
ノイズシェーパ39は、加算器40とシフト演算器41と加算器42とマルチビット量子化器43とを備えてなり、局部帰還減衰器38からの減衰出力をデータ語長の切り捨てを発生す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。
【0028】
このΔΣ変調装置5は、局部帰還ループ部44にノイズシェーパ39を備えるので、データ語長の切り捨て工程を発生させず、高音質な1ビットオーディオ信号を出力することができる。また、1ビット信号処理装置1としても高音質の各種信号処理の実現が可能となる。
【0029】
以下、上記ΔΣ変調装置5の詳細な動作について説明するが、ここでは従来のΔΣ変調装置と比較しその差を明確にしながら説明を進めていく。従来のΔΣ変調装置としては図4に示すΔΣ変調装置50と、図6に示すΔΣ変調装置51を挙げることができる。
【0030】
図4のΔΣ変調装置50は、図3に示したΔΣ変調装置5から局部帰還ループ部44を取り除いた構成である。すなわち、ΔΣ変調装置5から局部帰還ループ部44を除くとΔΣ変調装置50となる。
【0031】
このΔΣ変調装置50における、図4のa,b,cの各点での演算語長を時間経過にしたがって図5に示す。a点での語長は、入力信号(mビットディジタル信号)が1番目の積分器23に累積するため、桁上げ方向に語長が拡大する。なおフィードバック信号は入力信号と同じ語長のため、フィードバック信号の累積による語長の拡張は入力信号と同じく桁上げ方向への拡大であり、ネガティブフィードバックによって桁上げ方向に発散することはない。
【0032】
b点での語長は、a点の信号に減衰器26によって係数K1(1>k>0)が乗算された信号が累積するため、桁下げ方向に語長が拡大する。同様にc点では減衰器31によって係数K2が乗算されるため、さらに桁下げ方向に語長が拡大する。この演算語長の拡大したデータは、1ビット量子化器36によって1ビットに変換されるが、ここでの量子化誤差成分はフィードバックされることにより、ノイズシェーピングされるために、データ語長の切り捨ては発生しない。
【0033】
次に、図6に示したΔΣ変調装置51は、図3に示したΔΣ変調装置5の局部帰還ループ部44からノイズシェーパ39を取り除き、局部帰還減衰器52のみとした構成である。
【0034】
このΔΣ変調装置51における、a,b,cの各点での演算語長を時間経過にしたがって図7に示す。図7のa,b(1),c(1)各点での語長は図5の場合と同じである。ここで( )の数字は、各点での時間的経過を示す。c(1)点での語長は、局部帰還ループ部を通ると、局部帰還減衰器52によって係数Kfが乗算されるために、さらに桁下げ方向に語長が拡大する。b(2)点には、この信号がそのまま逆相帰還し、累積するため、b(1)点での語長からb(2)点の語長へと拡大する。c(2)点ではさらに係数K2によって、桁下げ方向に語長が拡大し、その後も局部帰還ループによって巡回し続けるために語長は、b(3)、c(3)、b(4)...と無限に拡大していく。
【0035】
局部帰還減衰器52からなる局部帰還ループ部を備えるΔΣ変調装置51では、可聴帯域内での量子化誤差成分を図8の(b)に示すように、局部帰還ループ部を設けないときの図8の(a)に示す量子化誤差成分より低く抑えることができるため、ΔΣ変調装置としてはこの構成のものが一般的によく用いられる。しかしこの局部帰還ループを持つことにより、図7を用いて説明したように、桁下げ方向に語長が拡張されていく。
【0036】
現実には積分器内レジスタは有限なために、どこかでデータ長を一定にすべく、常にデータ語長の切り捨てが行われる。このデータ語長の切り捨てのために、局部帰還ループ部を持つΔΣ変調装置51は、これまで音質の劣化を伴った。
【0037】
これに対し上記図3に示したΔΣ変調装置5では、上述したように、局部帰還ループ部44内にノイズシェーパ39を持たせ、ループの一巡によって拡張する語長を、順次ノイズシェーピングすることにより、データの切り捨て過程の存在しないΔΣ変調を実現している。
【0038】
図3のa,b,cの各点での演算語長の時間経過を図9に示す。a、b(1)、c(1)の各点での語長は図7に示した場合と同じである。局部帰還ループ部44内のd(1)点での語長は、局部帰還減衰器38によって係数Kfが乗算されるために、c(1)より桁下げ方向に語長が拡大する。ここで図6に示したΔΣ変調装置51では、この値をそのまま逆相帰還し、第2積分器28で累積するため、b点での語長が拡張してしまった。そこで図3のΔΣ変調装置5では帰還ループ部一巡内に存在する第2減衰器31及び局部帰還減衰器38の乗算係数K2、Kfによって生じる演算語長の拡張分を事前にノイズシェーパ39によって再量子化処理した後に逆相帰還して、第2積分器28に累積するようにしている。これにより、b(2)点での語長はb(1)点での語長と変わらず、さらに以降の、b点、c点でも桁下げ方向への語長拡張は生じず、一定の語長を保つこととなる。 したがって、演算の途中過程において、データの切り捨ての生じないΔΣ変調を行うことが可能となり、データの切り捨てによって生じる音質への影響を抑えたΔΣ変調が可能となる。
【0039】
以上より、図3に示すΔΣ変調装置を図1における1ビット演算処理装置1内部のΔΣ変調装置5として用いることにより、高音質な高速1ビット・オーディオ信号に対する各種信号処理が可能となる。
【0040】
なおここでは3次のΔΣ変調装置の場合の例について示したが、さらに高次のΔΣ変調装置や、複数局部帰還ループを持つΔΣ変調装置についても同様の構成により実現できる。
【0041】
図10には従来の5次のΔΣ変調装置60を示す。このΔΣ変調装置60は、局部帰還減衰器70及び77からなる二つの局部帰還ループ部を備え、可聴帯域内での量子化誤差成分を図11の(b)に示すように、局部帰還ループ部を設けないときの図11の(a)に示す量子化誤差成分より低く抑えることができるため、5次のΔΣ変調装置としては一般的によく用いられる。しかし二つの局部帰還ループを持つことにより、処理過程においてデータ語長の切り捨てが発生する。
【0042】
1番目の積分器63の後ろに接続される減衰器64,2番目の積分器66の後ろに接続される減衰器67,3番目の積分器69の後ろに接続される局部帰還減衰器70により、データ語調は桁下げ方向に拡大し続け、さらに4番目の積分器の後ろに接続される減衰器74、5番目の積分器76の後ろに接続される局部帰還減衰器77により、語長はさらに無限に拡大していく。現実には積分器内レジスタは有限なために、どこかでデータ長を一定にすべく、常にデータ語長の切り捨てが行われる。このデータ語長の切り捨てのために、局部帰還ループ部を二つ持つΔΣ変調装置60でも音質の劣化を伴ってしまう。
【0043】
そこで、図12に示すように、局部帰還減衰器70の他に局部帰還ループ部にノイズシェーパ81を設け、また局部帰還減衰器77の他に局部帰還ループ部にノイズシェーパ82を設けた、ΔΣ変調装置80を構成して用いる。
【0044】
二つのノイズシェーパ81及び82は、上記図3に示したノイズシェーパ39と同様の構成である。
【0045】
したがって、このΔΣ変調装置80により、演算の途中過程において、データの切り捨ての生じないΔΣ変調を行うことが可能となり、データの切り捨てによって生じる音質への影響を抑えたΔΣ変調が可能となる。
【0046】
また、ΔΣ変調装置80を、図1における、1ビット演算処理装置1内部のΔΣ変調装置5として用いることにより、高音質な高速1ビット・オーディオ信号に対する各種信号処理が可能となる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、局部帰還ループを持つΔΣ変調装置において、データの切り捨て過程の存在しない構成を実現でき、これにより、高音質なΔΣ変調器が実現され、ΔΣ変調された高速1ビット・オーディオ信号に対して、高音質な各種信号処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態となる1ビット信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図2】上記1ビット信号処理装置に入力される1ビット信号を生成するΔΣ変調器の構成を示すブロック図である。
【図3】上記1ビット信号処理装置を構成するΔΣ変調装置の具体例の構成を示すブロック図である。
【図4】従来のΔΣ変調装置の第1の具体例の構成を示すブロック図である。
【図5】上記図4に示したΔΣ変調装置における量子化誤差の蓄積を説明するための図である。
【図6】従来のΔΣ変調装置の第2の具体例の構成を示すブロック図である。
【図7】上記図6に示したΔΣ変調装置における量子化誤差の蓄積を説明するための図である。
【図8】上記図4及び図6に示したΔΣ変調装置により発生する、量子化誤差の特性を示す図である。
【図9】上記図3に示したΔΣ変調装置における量子化誤差の蓄積を説明するための図である。
【図10】従来の5次のΔΣ変調装置の具体例の構成を示すブロック図である。
【図11】上記図10に示したΔΣ変調装置により発生する、量子化誤差の特性を示す図である。
【図12】本発明で用いられる5次のΔΣ変調装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 1ビット信号処理装置、3 演算処理装置、5 ΔΣ変調装置、23,28及び33 積分器、26,31 減衰器、36 1ビット量子化器、37 ビット長変換器、38 局部帰還減衰器、39 ノイズシェーパ、44 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 for obtaining a 1-bit digital signal by performing delta-sigma (ΔΣ) modulation processing on a multi-bit digital signal, and a digital signal processing apparatus.
[0002]
[Prior art]
The ΔΣ modulated high-speed 1-bit audio signal has a very high sampling frequency and a short data word 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 long 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 ΔΣ modulation circuit itself is not a particularly new technology, and its circuit configuration is suitable for IC integration, and AD conversion accuracy can be obtained relatively easily. It is.
[0004]
The ΔΣ-modulated signal can be converted back to an analog audio signal by passing it through a simple analog low-pass filter.
[0005]
By the way, if any signal processing is performed on a 1-bit signal that has been ΔΣ-modulated, the bit length of the signal is expanded in the process, so that the bit-extended signal is re-quantized to 1 bit again by the ΔΣ modulator. There is a need to.
[0006]
Here, as a ΔΣ modulator for performing requantization, a ΔΣ modulator having a local feedback loop is often used in order to obtain a characteristic in which the quantization noise level in the audible band is suppressed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the local feedback loop is used, the word length of the data is expanded by the arithmetic processing in the loop, and the word length is expanded infinitely by the loop. For this reason, when this processing is performed by a finite word length accumulator, data truncation occurs due to digit loss.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a delta-sigma modulation device that modulates a multi-mbit digital signal into a 1-bit digital signal while suppressing signal degradation caused by data truncation in a local feedback loop, and It is an object to provide a method and a digital signal processing apparatus.
[0009]
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 modulates a plurality of m-bit digital signals into a 1-bit digital signal. Attenuating means for attenuating the integrated output of a predetermined number of integrating means, and a noise shaper for requantizing the attenuated output from the attenuating means and feeding back to the integrating means before the predetermined number of integrating means And local feedback loop means.
[0010]
Here, the local feedback loop means feeds back the output of the second and subsequent integrating means among the plurality of n integrating means to the preceding integrating means. The local feedback loop means includes local attenuation means and noise shaping means.
[0011]
Further, the delta-sigma modulation apparatus according to the present invention includes an m-bit digital signal in each integration means in front of the plurality of n integration means and the local feedback loop means. A computing means for inputting a signal; (n-1) attenuating means connected to each of the first to (n-1) -th integrating means of the plurality of n integrating means; 1-bit quantization means connected to the n-th integration means of the integration means, and the bit length of the 1-bit digital signal from the 1-bit quantization means is converted to m bits, and the input of each integration means Bit length converting means for supplying to the calculating means.
[0012]
In order to solve the above problem, a delta sigma modulation method according to the present invention is a delta sigma modulation method executed by a delta sigma modulation apparatus that modulates a plurality of m-bit digital signals into one-bit digital signals. Attenuation step for attenuating the integral output of the predetermined integration means among the integration means, and noise returning to the integration means before the predetermined integration means by requantizing the attenuation output from the attenuation step And a local feedback loop process having a shaper process.
[0013]
Therefore, according to the above-described delta-sigma modulation apparatus and method, there is no data truncation process by requantizing the extension of the data length generated by one round of the local feedback loop using a noise shaper in the loop. Implements ΔΣ modulation processing.
[0014]
In order to solve the above-described problem, a digital signal processing apparatus according to the present invention performs a predetermined operation on a 1-bit digital signal obtained by delta-sigma modulation, and obtains an m-bit operation processing signal. Delta-sigma modulation means for obtaining a 1-bit digital signal by subjecting the arithmetic processing signal from the arithmetic processing means to re-delta sigma modulation processing. The delta-sigma modulation means includes a plurality of n integration means and a plurality of n pieces of integration means. An attenuating means for attenuating the integral output of a predetermined number of integrating means, and a noise shaper for requantizing the attenuated output from the attenuating means and feeding back to the integrating means prior to the predetermined number of integrating means; And local feedback loop means.
[0015]
For this reason, various high-quality digital signal processing can be performed on a 1-bit signal that is ΔΣ-modulated.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment is an example of a 1-bit signal processing apparatus for a high-speed 1-bit audio signal modulated by delta-sigma (ΔΣ).
[0017]
As shown in FIG. 1, the 1-bit signal processing device 1 includes an arithmetic processing device 3 and a ΔΣ modulation device 5. A multiplier 4 is provided inside the arithmetic processing unit 3 and performs some level change processing such as fade processing by multiplying the 1-bit signal by a predetermined coefficient from a coefficient generator (not shown). Can do. At this time, the 1-bit digital signal is bit-extended to m bits. The signal expanded to m bits is re-modulated again to the original 1-bit signal by the ΔΣ modulator 5. Therefore, the ΔΣ modulation device 5 used here greatly affects the sound quality of the output signal from the 1-bit signal processing device 1.
[0018]
The 1-bit signal supplied from the input terminal 2 to the 1-bit signal processing device 1 is generated by the ΔΣ modulator shown in FIG. In FIG. 2, the input audio signal from the input terminal 7 is supplied to the integrator 9 through the adder 8. The signal from the integrator 9 is supplied to the comparator 10 where it is compared with the midpoint potential of the input audio signal and quantized by 1 bit every sample period. The frequency of the sampling period (sampling frequency) is 64 times or 128 times that of the conventional 48 kHz and 44.1 kHz. The quantized data is supplied to the one-sample delay unit 12 and delayed by one sample period. This delay data is converted into an analog signal by a 1-bit D / A converter 13, for example, supplied to an adder 8, and added to an input audio signal from the input terminal 7. Then, the quantized data is taken out from the comparator 10 through the output terminal 11.
[0019]
FIG. 3 shows a first specific example of the ΔΣ modulator 5. A first specific example of the ΔΣ modulation device 5 is a third-order ΔΣ modulation device including three integrators 23, 28 and 33. Further, the ΔΣ modulation device 5 includes a local feedback loop unit 44 that attenuates the outputs of the three integrators 23, 28, and 33, re-quantizes them, and feeds them back to the input of the previous integrator. In particular, the local feedback loop unit 44 feeds back the output of the third integrator 33 among the three integrators 23, 28 and 33 to the input of the second integrator 28. The local feedback loop unit 44 includes a local feedback attenuator 38 and a noise shaper 39.
[0020]
Further, the delta sigma modulation device 5 includes an adder 22 serving as a calculation means for inputting an m-bit digital signal to each of the integrators 23, 28 and 33 before the three integrators 23, 28 and 33. , 27 and 32, two attenuators 26 and 31 connected respectively after the first and second integrators 28 and 33 of the three integrators, and of the three integrators, The 1-bit quantizer 36 connected to the third integrator, and the bit length of the 1-bit digital signal from the 1-bit quantizer 36 are converted to m bits, and the integrators 23, 28 and 33 A bit length converter 37 that is supplied to the adders 22, 27, and 32 so as to be input is provided.
[0021]
The first integrator 23 integrates the m-bit digital signal supplied via the input terminal 21 and the adder 22. For this reason, the addition output from the adder 24 is shifted by the shift calculator 25 and returned to the adder 24.
[0022]
Similarly, the second integrator 28 has a configuration in which the addition output from the adder 29 is shifted by the shift calculator 30 and returned to the adder 29. The third integrator 33 is also configured to shift the addition output from the adder 34 by the shift calculator 35 and return it to the adder 34.
[0023]
The integrated output from the third integrator 33 is supplied to the 1-bit quantizer 36 and the local feedback attenuator 38 of the local feedback loop unit 44. The 1-bit quantizer 36 performs 1-bit quantization on the integrated output, derives it from the output terminal 6, and supplies it to the bit length converter 37.
[0024]
The bit length converter 37 converts the 1-bit signal from the 1-bit quantizer 36 into an m-bit digital signal, adds a negative sign to each of the adders 22, 27 and 32, and feeds back. Accordingly, each adder 22, 27, and 32 is a conversion output of the bit length converter 37 from the m-bit digital signal supplied from the input terminal 21 or the integrators 23 and 28 in the previous stage through the attenuators 26 and 31. A certain m-bit signal is subtracted.
[0025]
The attenuators 26 and 31 attenuate the integrated outputs of the first integrator 23 and the second integrator 28 and supply them to the adder 27 and the adder 32.
[0026]
The local feedback attenuator 38 of the local feedback loop unit 44 attenuates the integrated output from the third integrator 33 and supplies it to the noise shaper 39.
[0027]
The noise shaper 39 includes an adder 40, a shift calculator 41, an adder 42, and a multi-bit quantizer 43, and the attenuation output from the local feedback attenuator 38 is generated without truncating the data word length. Requantize. Specifically, the requantization error is shifted out of the audible band.
[0028]
Since the ΔΣ modulator 5 includes the noise shaper 39 in the local feedback loop unit 44, a high-quality 1-bit audio signal can be output without generating a data word length truncation step. Also, the 1-bit signal processing apparatus 1 can realize various kinds of signal processing with high sound quality.
[0029]
Hereinafter, the detailed operation of the ΔΣ modulation device 5 will be described. Here, the description will proceed while clarifying the difference as compared with the conventional ΔΣ modulation device. As a conventional ΔΣ modulator, there can be mentioned a ΔΣ modulator 50 shown in FIG. 4 and a ΔΣ modulator 51 shown in FIG.
[0030]
The ΔΣ modulation device 50 in FIG. 4 has a configuration in which the local feedback loop unit 44 is removed from the ΔΣ modulation device 5 shown in FIG. That is, if the local feedback loop unit 44 is removed from the ΔΣ modulator 5, the ΔΣ modulator 50 is obtained.
[0031]
FIG. 5 shows the operation word lengths at points a, b, and c in FIG. 4 in the ΔΣ modulation apparatus 50 over time. The word length at point a is increased in the carry direction because the input signal (m-bit digital signal) is accumulated in the first integrator 23. Since the feedback signal has the same word length as the input signal, the extension of the word length by the accumulation of the feedback signal is an extension in the carry direction as in the input signal, and does not diverge in the carry direction due to negative feedback.
[0032]
As for the word length at the point b, since the signal obtained by multiplying the signal at the point a by the coefficient K1 (1>k> 0) by the attenuator 26 is accumulated, the word length increases in the direction of carry-down. Similarly, since the coefficient K2 is multiplied by the attenuator 31 at the point c, the word length is further expanded in the direction of carry-down. The data with the expanded operation word length is converted to 1 bit by the 1-bit quantizer 36. Since the quantization error component here is fed back and noise-shaped, the data word length No truncation occurs.
[0033]
Next, the delta-sigma modulation device 51 shown in FIG. 6 has a configuration in which the noise shaper 39 is removed from the local feedback loop unit 44 of the delta-sigma modulation device 5 shown in FIG.
[0034]
FIG. 7 shows the operation word lengths at points a, b, and c in the ΔΣ modulator 51 as time elapses. The word length at each point a, b (1), c (1) in FIG. 7 is the same as in FIG. Here, the numbers in parentheses indicate the time course at each point. When the word length at the point c (1) passes through the local feedback loop section, the word length further increases in the direction of carry-down because the coefficient Kf is multiplied by the local feedback attenuator 52. This signal is fed back to the b (2) point as it is, and is accumulated in the opposite phase, so that the word length at the point b (1) is expanded to the word length at the point b (2). At the point c (2), the word length is further expanded in the direction of the carry by the coefficient K2, and the word length is b (3), c (3), b (4) in order to continue the circulation by the local feedback loop thereafter. . . . And expand infinitely.
[0035]
In the delta-sigma modulation device 51 including the local feedback loop unit including the local feedback attenuator 52, the quantization error component within the audible band is not provided as shown in FIG. 8B. Since the quantization error component shown in FIG. 8 (a) can be suppressed to a lower level, a device having this configuration is generally used as a ΔΣ modulator. However, by having this local feedback loop, as described with reference to FIG. 7, the word length is extended in the direction of carry-down.
[0036]
Actually, since the registers in the integrator are limited, the data word length is always rounded down to make the data length constant somewhere. Due to the truncation of the data word length, the ΔΣ modulator 51 having a local feedback loop has been accompanied by deterioration in sound quality.
[0037]
On the other hand, in the delta-sigma modulation device 5 shown in FIG. 3, as described above, the noise shaper 39 is provided in the local feedback loop unit 44, and the word length expanded by one round of the loop is sequentially noise-shaped. This realizes ΔΣ modulation without the data truncation process.
[0038]
FIG. 9 shows the time lapse of the operation word length at points a, b, and c in FIG. The word lengths at points a, b (1), and c (1) are the same as those shown in FIG. Since the local feedback attenuator 38 multiplies the word length at the point d (1) in the local feedback loop unit 44 by the coefficient Kf, the word length is expanded in the direction of carry-down from c (1). Here, in the delta-sigma modulation device 51 shown in FIG. 6, this value is fed back as it is and accumulated in the second integrator 28, so that the word length at the point b has been expanded. Therefore, in the delta-sigma modulation device 5 in FIG. 3, the extension of the operation word length caused by the multiplication coefficients K2 and Kf of the second attenuator 31 and the local feedback attenuator 38 existing in the feedback loop section is regenerated by the noise shaper 39 beforehand. After the quantization process, the phase is fed back and accumulated in the second integrator 28. As a result, the word length at the point b (2) does not change from the word length at the point b (1), and the word length extension in the direction of carry-down does not occur at the subsequent points b and c. Keep the word length. Therefore, ΔΣ modulation that does not cause data truncation can be performed in the middle of calculation, and ΔΣ modulation that suppresses the influence on sound quality caused by data truncation is possible.
[0039]
As described above, by using the ΔΣ modulation device shown in FIG. 3 as the ΔΣ modulation device 5 inside the 1-bit arithmetic processing device 1 in FIG. 1, various signal processing can be performed on a high-quality high-speed 1-bit audio signal.
[0040]
Although an example in the case of a third-order ΔΣ modulator is shown here, a higher-order ΔΣ modulator and a ΔΣ modulator having a plurality of local feedback loops can also be realized with the same configuration.
[0041]
FIG. 10 shows a conventional fifth-order ΔΣ modulator 60. This ΔΣ modulation device 60 includes two local feedback loop units composed of local feedback attenuators 70 and 77, and the quantization error component in the audible band is represented by a local feedback loop unit as shown in FIG. Since it can be suppressed to be lower than the quantization error component shown in FIG. 11A when no is provided, it is generally often used as a fifth-order ΔΣ modulator. However, by having two local feedback loops, data word length truncation occurs in the process.
[0042]
An attenuator 64 connected after the first integrator 63, an attenuator 67 connected after the second integrator 66, and a local feedback attenuator 70 connected after the third integrator 69. The data tone continues to expand in the direction of the carry, and the word length is further reduced by the attenuator 74 connected after the fourth integrator and the local feedback attenuator 77 connected after the fifth integrator 76. It will expand further infinitely. Actually, since the registers in the integrator are limited, the data word length is always rounded down to make the data length constant somewhere. Due to the truncation of the data word length, even the ΔΣ modulator 60 having two local feedback loops is accompanied by deterioration of sound quality.
[0043]
Therefore, as shown in FIG. 12, a noise shaper 81 is provided in the local feedback loop unit in addition to the local feedback attenuator 70, and a noise shaper 82 is provided in the local feedback loop unit in addition to the local feedback attenuator 77. The modulation device 80 is configured and used.
[0044]
The two noise shapers 81 and 82 have the same configuration as the noise shaper 39 shown in FIG.
[0045]
Therefore, the ΔΣ modulation device 80 can perform ΔΣ modulation that does not cause data truncation in the middle of the calculation, and enables ΔΣ modulation that suppresses the influence on the sound quality caused by the data truncation.
[0046]
Further, by using the ΔΣ modulation device 80 as the ΔΣ modulation device 5 inside the 1-bit arithmetic processing device 1 in FIG. 1, various signal processing can be performed on a high-quality high-speed 1-bit audio signal.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a delta-sigma modulation device having a local feedback loop, it is possible to realize a configuration without a data truncation process, thereby realizing a high-quality delta-sigma modulator and high-speed 1-bit audio that is delta-sigma modulated. Various signal processing with high sound quality can be performed on the signal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a 1-bit signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a ΔΣ modulator that generates a 1-bit signal input to the 1-bit signal processing apparatus.
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a specific example of a ΔΣ modulation device that constitutes the 1-bit signal processing device.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a first specific example of a conventional ΔΣ modulator.
5 is a diagram for explaining accumulation of quantization error in the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 4; FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a second specific example of a conventional ΔΣ modulator.
7 is a diagram for explaining accumulation of quantization error in the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 6; FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating characteristics of quantization error generated by the ΔΣ modulation apparatus shown in FIGS. 4 and 6;
9 is a diagram for explaining accumulation of quantization error in the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a specific example of a conventional fifth-order ΔΣ modulator.
11 is a diagram showing characteristics of quantization error generated by the ΔΣ modulation apparatus shown in FIG.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a fifth-order ΔΣ modulation apparatus used in the present invention.
[Explanation of symbols]
1 1-bit signal processor, 3 arithmetic processor, 5 ΔΣ modulator, 23, 28 and 33 integrator, 26, 31 attenuator, 36 1-bit quantizer, 37-bit length converter, 38 local feedback attenuator, 39 Noise shaper, 44 Local feedback loop

Claims (5)

複数mビットのディジタル信号を1ビットディジタル信号に変調するデルタシグマ変調装置において、
複数n個の積分手段と、
上記複数n個の積分手段のうちの所定番目の積分手段の積分出力を減衰する減衰手段と、
上記減衰手段からの減衰出力を再量子化して上記所定番目の積分手段よりも前の積分手段に帰還するノイズシェーパとを有する局部帰還ループ手段と
を備えることを特徴とするデルタシグマ変調装置。
In a delta-sigma modulation device that modulates a plurality of m-bit digital signals into 1-bit digital signals,
A plurality of n integration means;
Attenuating means for attenuating the integrated output of a predetermined number of integrating means among the plurality of n integrating means ;
And a local feedback loop means having a noise shaper for requantizing the attenuation output from the attenuation means and feeding back to the integration means before the predetermined integration means .
上記局部帰還ループ手段は、複数n個の積分手段の内の2番目以降の積分手段の出力を前の積分手段に帰還することを特徴とする請求項1記載のデルタシグマ変調装置。  2. The delta-sigma modulation apparatus according to claim 1, wherein the local feedback loop means feeds back an output of the second and subsequent integration means among a plurality of n integration means to a previous integration means. 上記複数n個の各積分手段の前で、各積分手段にmビットのディジタル信号を入力する演算手段と、
上記複数n個の積分手段の1番目から(n−1)番目の各積分手段の後ろにそれぞれ接続される(n−1)個の減衰手段と、
上記n個の積分手段の内のn番目の積分手段に接続される1ビット量子化手段と、
上記1ビット量子化手段からの1ビットディジタル信号のビット長をmビットに変換し、上記各積分手段の入力となるように上記演算手段に供給するビット長変換手段と
を備えることを特徴とする請求項1記載のデルタシグマ変調装置。
Arithmetic means for inputting an m-bit digital signal to each integrating means before each of the plurality of n integrating means;
(N-1) attenuating means respectively connected after the first to (n-1) -th integrating means of the plurality of n integrating means;
1-bit quantization means connected to the nth integration means among the n integration means;
Bit length conversion means for converting the bit length of the 1-bit digital signal from the 1-bit quantization means into m bits and supplying the same to the calculation means so as to be input to the integration means. The delta-sigma modulation device according to claim 1.
複数mビットのディジタル信号を1ビットディジタル信号に変調するためのデルタシグマ変調方法において、
複数n個の積分手段のうちの所定番目の積分手段の積分出力を減衰する減衰工程と、
上記減衰工程からの減衰出力を再量子化して上記所定番目の積分手段よりも前の積分手段に帰還するノイズシェーパ工程とを有する局部帰還ループ工程と
を備えることを特徴とするデルタシグマ変調方法。
In a delta-sigma modulation method for modulating a plurality of m-bit digital signals into 1-bit digital signals,
An attenuating step for attenuating the integrated output of a predetermined number of integrating means among a plurality of n integrating means;
A local feedback loop process comprising: a noise shaper process that re-quantizes the attenuated output from the attenuation process and feeds back to the integration means before the predetermined integration means .
デルタシグマ変調により得られた1ビットディジタル信号に所定の演算を施してmビットの演算処理信号を得る演算処理手段と、
この演算処理手段からの演算処理信号に再デルタシグマ変調処理を施して1ビットディジタル信号を得るデルタシグマ変調手段とを備え、
上記デルタシグマ変調手段は、複数n個の積分手段と、上記複数n個の積分手段のうちの所定番目の積分手段の積分出力を減衰する減衰手段と、上記減衰手段からの減衰出力を再量子化して上記所定番目の積分手段よりも前の積分手段に帰還するノイズシェーパとを有する局部帰還ループ手段とを備える
ことを特徴とするディジタル信号処理装置。
Arithmetic processing means for performing a predetermined arithmetic operation on a 1-bit digital signal obtained by delta-sigma modulation to obtain an m-bit arithmetic processing signal;
Delta-sigma modulation means for performing a re-delta sigma modulation process on the arithmetic processing signal from the arithmetic processing means to obtain a 1-bit digital signal,
The delta-sigma modulation means includes a plurality of n integrating means, an attenuating means for attenuating the integrated output of a predetermined number of integrating means among the n integrating means, and an attenuation output from the attenuating means being requantized And a local feedback loop means having a noise shaper that is fed back to the integration means before the predetermined integration means .
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