(57)【要約】デジタル信号処理システムは、量子化器の過負荷防止状態の間にはローパス出力を維持する、デルタシグマ変調器を含む。少なくとも１つの実施形態において、該デルタシグマ変調器は、Ｎ次のフィードバック型ループフィルタを有する、量子化器の過負荷から保護されたデルタシグマ変調器を含む。該デルタシグマ変調器の量子化器は、ループフィルタの少なくとも最初の２つのフィルタステージに、フィードバックを提供する。ループフィルタは、少なくともＮ個の連続したフィルタステージを含み、量子化器の過負荷防止状態の間には、最初のフィルタステージの出力を制限する。最初のフィルタステージの出力制限が量子化器の過負荷防止に不十分である場合には、該デルタシグマ変調器は少なくとも後続のフィルタステージの出力を漸進的に制限し、量子化器の過負荷を防ぐことができる。ここで、Ｎは２に等しいか、または２よりも大きい正の整数である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止するための方法であって、
該デルタシグマ変調器のループフィルタの最初のフィルタステージに、量子化器出力フィードバックを提供するステップと、
該ループフィルタの少なくとも１つの追加フィルタステージに、量子化器フィードバックを提供するステップと、
量子化器の過負荷防止状態の間には、該ループフィルタの該最初のフィルタステージの出力を制限するステップと、
該ループフィルタの第二のフィルタステージに、該最初のフィルタステージの出力信号を提供するステップと、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記デルタシグマ変調器の閉ループが、
前記最初のフィルタステージの前記出力と接続される前記ループフィルタの１つ以上のフィルタステージと、
該ループフィルタの出力と接続される量子化器と、
該量子化器の出力と、該最初のフィルタステージの該出力と接続される１つ以上の該フィルタステージとの間に接続される、フィードバック経路と、
を含む、請求項１に記載の方法であって、
該ループフィルタの該最初のフィルタステージの該出力を制限するときには、該閉ループのローパス伝達関数を維持するステップ、をさらに包含する、方法。
【請求項３】
直前のフィルタステージの出力の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、前記ループフィルタの前記最初のフィルタステージと接続される１つ以上の後続のフィルタステージを漸進的に制限するステップ、をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記最初のフィルタステージのフォワード経路信号を遅延するステップ、をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記最初のフィルタステージのｚ領域伝達関数は、（ｚ−１）／（１−ｚ−１）を備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ループフィルタの最後のフィルタステージを除く各フィルタステージからの出力信号を、直後のステージに提供するステップと、
各フィルタステージのフォワード経路信号を遅延するステップと、
をさらに包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記デルタシグマ変調器の閉ループは、
前記最初のフィルタステージの前記出力と接続される、前記ループフィルタの１つ以上のフィルタステージと、
該ループフィルタの出力と接続される量子化器と、
該量子化器の出力と、該最初のフィルタステージの該出力と接続される１つ以上の該フィルタステージとの間に接続される、フィードバック経路と、
を含む、請求項３に記載の方法であって、
任意の該フィルタステージの出力を制限するときには、該閉ループのローパス伝達関数を維持するステップ、をさらに包含する、方法。
【請求項８】
前記量子化器出力フィードバックは、各フィルタステージに個々に加重される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
入力信号を出力信号に変換するフィードバックトポロジーを有するデルタシグマ変調器を備える、信号処理システムであって、
該デルタシグマ変調器は、
該入力信号を受け取るデルタシグマ変調器入力と、
量子化器入力信号を量子化し、量子化器出力を介して量子化器出力信号を提供する量子化器と、
該量子化器入力信号を該量子化器に提供するループフィルタと、を備え、
該ループフィルタは、
最初のフィルタステージの出力信号を制限するリミッタＬｏを有する該最初のフィルタステージであって、該最初のフィルタステージは該デルタシグマ変調器入力および該量子化器出力と接続される、該最初のフィルタステージと、
該最初のフィルタステージの出力および該量子化器出力と接続されるフィルタセクションと、を備え、
該量子化器と接続される該フィルタセクションを備える閉ループの伝達関数は、リミッタＬ０がアクティブのときには、ローパス伝達関数を有する、
信号処理システム。
【請求項１０】
前記フィルタセクションは、第一のフィルタステージの出力信号を限定するためのリミッタＬ１を有する、少なくとも該第一のフィルタステージを含む、請求項９に記載の信号処理システム。
【請求項１１】
前記リミッタＬ０は、前記最初のフィルタステージの前記出力信号を、該最初のフィルタステージへの前記入力信号の正常なフルスケール値の上約１ｄＢから３ｄＢに制限する、請求項１４に記載の信号処理システム。
【請求項１２】
前記閉ループの前記伝達関数は、リミッタＬ０およびＬ１がアクティブのときには、ローパス伝達関数を維持する、請求項１０に記載の信号処理システム。
【請求項１３】
前記フィルタセクションの前記第一のフィルタステージは、前記リミッタＬ１の出力と接続されるフィードバックループを有する積分器を含む、請求項に１０記載の信号処理システム。
【請求項１４】
前記リミッタＬ０は、前記ループフィルタの任意の後続のフィルタステージの任意のリミッタが任意の該後続のフィルタステージの出力信号を制限するよりも前に、アクティブであって前記最初のフィルタステージの前記出力信号を制限する、請求項１０に記載の信号処理システム。
【請求項１５】
前記リミッタＬ０は、前記フィルタセクションの前記第一のフィルタステージの出力信号を、該第一のフィルタステージへの入力信号の正常なフルスケール値の上約６ｄＢに制限する、請求項１０に記載の信号処理システム。
【請求項１６】
前記最初のフィルタステージは、前記リミッタＬ０の出力と接続されたフィードバックループを有する積分器を含む、請求項９に記載の信号処理システム。
【請求項１７】
前記ループフィルタは、前記最初のフィルタステージのフォワード経路の中に第一の遅延要素をさらに備える、請求項９に記載の信号処理システム。
【請求項１８】
前記最初のフィルタステージのｚ領域伝達関数は、（ｚ−１）／（１−ｚ−１）を備える、請求項１７に記載の信号処理システム。
【請求項１９】
前記ループフィルタは、前記フィルタセクションの各フィルタステージのフォワード経路の中に遅延要素をさらに備える、請求項１７に記載の信号処理システム。
【請求項２０】
音声信号処理システムを備える、請求項９に記載の信号処理システム。
【請求項２１】
入力信号を出力信号に変換するデルタシグマ変調器を備える、信号処理システムであって、
該デルタシグマ変調器は、
量子化器出力信号を発生する量子化器と、
該量子化器と接続したループフィルタと、を備え、
該ループフィルタは、フィードバックトポロジーを有し、ＦＳ０からＦＳＮ−１まで昇順に配置された最初からＮ個の連続したフィルタステージ（ＦＳ）を備え、
フィルタステージＦＳ０は、入力信号と該量子化器出力信号との間の差分からなる差分信号を受け取り、
該最初からＮ個の連続したフィルタステージＦＳ０からＦＳＮ−１までのそれぞれは、該量子化器からのフィードバック信号および先行するフィルタステージからの入力信号からなる入力信号を受け取り、
該フィルタステージのそれぞれは、積分器を含み、
フィルタステージＦＳ０は、フィルタステージＦＳ０の出力値を最大絶対値に制限するリミッタＬ０を含み、
Ｎは負でない整数であって、Ｎ≧２である、
信号処理システム。
【請求項２２】
フィルタステージＦＳ１からＦＳＮ−１までのうちの少なくとも１つが、フィルタステージＦＳ１からＦＳＮ−１までのそれぞれの出力値を制限するリミッタを含み、リミッタをそれぞれの最大絶対値とし、ステージＦＳ０の前記リミッタは、前記ループフィルタの任意の後続のステージの任意のリミッタが任意の該後続のステージの出力値を制限する前に、ステージＦＳ０の前記積分器の出力値を制限するように適合される、請求項２１に記載の信号処理システム。
【請求項２３】
各フィルタステージＦＳｉは、該フィルタステージＦＳｉのフォワード経路に遅延要素をさらに含み、ｉは負でない整数であって、ｉは｛０，１，．．．，Ｎ−１｝の組の要素である、請求項２１に記載の信号処理システム。
【請求項２４】
各フィルタステージＦＳｉのｚ領域伝達関数は、（ｚ−１）／（１−ｚ−１）を備える、請求項２３に記載の信号処理システム。
【請求項２５】
前記量子化器と接続された前記フィルタステージＦＳ１からＦＳＮ−１までを備える閉ループの伝達関数が、リミッタＬ０がアクティブであってフィルタステージＦＳ０の対応する出力値を制限するときには、ローパス伝達関数を維持する、請求項２１に記載の信号処理システム。
【請求項２６】
デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止する方法であって、
第一の差分信号を積分して第一の積分出力信号を生成するステップであって、該差分信号はデルタシグマ変調器入力信号と第一の量子化器フィードバック信号との間の差分を備える、ステップと、
量子化器の過負荷防止状態の間には、該第一の積分出力信号を制限して、第一の制限された出力信号を生成するステップと、
第二の差分信号を積分して第二の積分出力信号を生成するステップであって、量子化器の過負荷防止状態の間には、該第二の差分信号は第二の量子化器出力信号と該第一の制限された出力信号との間の差分を備え、それ以外のときには、該第二の差分信号は該第二の量子化器出力信号と該第一の積分出力信号との間の差分を備える、ステップと、
該第一の積分出力信号の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、該第二の積分出力信号を制限するステップと、
を包含する、方法。
【請求項２７】
前記第一の積分出力信号の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、前記第二の積分出力信号を制限するステップをさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第一および第二の積分出力信号を制限するときには、前記デルタシグマ変調器にローパス伝達関数を維持するステップをさらに包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
量子化器の過負荷防止状態の間には、前記第一の積分出力信号を制限して前記第一の制限された出力信号を生成するステップが、該第一の制限された出力信号の高調波を発生する、請求項２６に記載の方法であって、
該第一の積分出力信号を制限するときには、該第一の制限された出力信号の該高調波を減衰させるステップと、
デルタシグマ変調器の量子化器の出力信号であって、その中で該第一の制限された出力信号の該高調波が減衰される、該出力信号を発生するステップと、
をさらに包含する、方法。
【請求項３０】
デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止するための装置であって、
該デルタシグマ変調器のループフィルタの最初のフィルタステージに、量子化器出力フィードバックを提供するための手段と、
該ループフィルタの少なくとも１つの追加のフィルタステージに、量子化器フィードバックを提供するための手段と、
量子化器の過負荷防止状態の間には、該ループフィルタの最初のフィルタステージの出力を制限するための手段と、
該最初のフィルタステージの出力信号を、該ループフィルタの第二のフィルタステージに提供するための手段と、
を備える、装置。
【請求項３１】
デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止するための装置であって、
第一の差分信号を積分して第一の積分出力信号を生成するための手段であって、該差分信号は、デルタシグマ変調器入力信号と第一の量子化器フィードバック信号との間の差分からなる、手段と、
量子化器の過負荷防止状態の間には、該第一の積分出力信号を制限して、第一の制限された出力信号を生成するための手段と、
第二の差分信号を積分して第二の積分出力信号を生成するための手段であって、量子化器の過負荷防止状態の間には、該第二の差分信号は第二の量子化器出力信号と該第一の制限された出力信号との間の差分を備え、それ以外のときには、該第二の差分信号は該第二の量子化器出力信号と該第一の積分出力信号との間の差分を備える、手段と、
該第一の積分出力信号の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、該第二の積分出力信号を制限するための手段と、
を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して信号処理の分野に関し、より具体的には、多次のフィードバックループフィルタトポロジーを使用するデルタシグマ変調器に対して、過負荷防止を提供するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デルタシグマ変調器は、低分解能量子化器を使用して、高分解能出力信号を生成する。デルタシグマ変調器は、ナイキスト速度よりも速いオーバーサンプリングデータ速度を使用して高分解能を実現する。多くの信号処理システムはデルタシグマ変調器を含み、高速で入力信号を１つ以上のビットに量子化し、高分解能出力信号を生成する。「デルタシグマ変調器」はまた、一般に「シグマデルタ変調器」、「デルタシグマ変換器」、「シグマデルタ変換器」および「ノイズシェーパー」などの、相互に交換可能な用語を使用して参照される。
【０００３】
図１は、基本的なＮ次のデルタシグマ変調器１００を示す。このデルタシグマ変調器１００は、入力信号ｘ（ｎ）と量子化器フィードバック信号ｙ（ｎ−ｌ）との間の差分信号ｕｄ（ｎ）を求める差分ステージ１０１を含む。このデジタル入力信号ｘ（ｎ）は、マイクロホンまたは音声／視覚再生機器などの、信号源１０３からのオーバーサンプリングされた入力信号を表す。この入力信号は、音声入力信号などの任意の種類の入力信号であり得る。前処理器は、一般にオーバーサンプリングされたデジタル入力信号を発生するデジタル補間器を含む。量子化器フィードバック信号ｙ（ｎ−ｌ）は、量子化器出力信号ｙ（ｎ）の１サイクルの遅延を表す。デルタシグマ変調器１００は、差分信号ｕｄ（ｎ）をフィルタリングするループフィルタ１０２を含む。ループフィルタ１０２は、フィードフォワード型のＮ次のループフィルタトポロジーを使用して実装され、Ｎは正の整数である。ループフィルタ１０２は、Ｎ個の直列接続されたフィルタステージ１０４．０、１０４．１、．．．１０４．Ｎ−１を含む。各フィルタステージ１０４．０、１０４．１、．．．１０４．Ｎ−１は、積分器を含み、そのｚ領域の説明を拡大図１０６に示す。すべてのフィルタステージ１０４．０、１０４．１、．．．１０４．Ｎ−１の出力信号は、それぞれの係数ｃｏ、ｃ１、．．．、ｃＮ−１（「重み係数」とも称される）によって調節され、加算ステージ１１０によって足し合わされ、フィルタ出力／量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）を発生する。また、フィルタステージ１０４．０、１０４．１、．．．１０４．Ｎ−Ｉの各積分器は、周知のデジタル設計技術を使用して求められる利得係数（図示せず）を一般的に含み、所望のループフィルタ１０２の周波数応答を実現する。音声信号（約０Ｈｚ〜２５ｋＨｚ）などの低周波ベースバンド信号に対しては、ループフィルタ１０２は、量子化器非過負荷状態（ｎｏｎ−ｑｕａｎｔｉｚｅｒ  ｏｖｅｒｌｏａｄ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）において、ベースバンドの周波数に対して比較的高利得の、ローパスフィルタとして機能する。
【０００４】
量子化器１０８は、シングルビットまたマルチビットの出力信号ｙ（ｎ）を提供する。量子化器は量子化誤差を導入する。デルタシグマ変調器１００によって量子化誤差をフィルタリングすることが、低いベースバンド周波数での量子化誤差を最小化する。それゆえに、デルタシグマ変調器１００は、ベースバンド内のノイズを軽減することによって、「ノイズシェーピング」の働きを示す。出力信号ｙ（ｎ）の後続の信号処理が、ベースバンドより上に位置する、ノイズを含む信号周波数を除去することができる。
【０００５】
デルタシグマ変調器１００の、ベースバンド内での達成可能な信号対雑音比（ＳＮＲ）は、ある程度はオリジナルの入力信号のオーバーサンプリングの量およびループフィルタ１０２の次数に依存する。より高次のフィルタは、より少ないオーバーサンプリングによって、許容されるＳＮＲを維持することができる。しかしながら、次数は、ループフィルタ１０２内の不安定性によって制限される。ループフィルタ１０２内の不安定性は、例えば、入力信号ｘ（ｎ）のサンプルからサンプルへの大きなエクスカーションによって起こり得る。また、ループフィルタ１０２の次数は、量子化器１０８の過負荷によっても制限される。量子化器の過負荷は、量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）が量子化器１０８の入力信号の動作範囲のピークを超えたときに起こる。多次のデルタシグマ変調器において、量子化器入力信号ｕｄ（ｎ）が量子化器１０８の作動範囲外の値を得ることを確実に防止するための、入力信号ｘ（ｎ）の最大範囲を予測することは、それを正確に求めることは困難である。入力信号ｘ（ｎ）の最大範囲の予測は、因果関係の複雑性、非理想的な物理的構成要素のデルタシグマ変調器から発生するノイズの影響、丸め誤差、および／またはその他の要因により、困難なままである。
【０００６】
このために、量子化器の過負荷を防ぐ１つのソリューションは、入力信号ｘ（ｎ）の振幅レンジを、デルタシグマ変調器１００が量子化器の過負荷に陥ることを高い確実性をもって防止するような値に、内輪に制限することである。しかしながら、入力信号ｘ（ｎ）の範囲を内輪に制限することは、入力信号ｘ（ｎ）のダイナミックレンジをも人為的に制限することになる。量子化器の過負荷を防止する第二のソリューションは、量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）をクリッピングすることであり、そして、それゆえに、量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）を量子化器１０８の非過負荷作動範囲内の値に制限することである。しかしながら、量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）を制限する従来の技術は、少なくともクリッピング動作中の信号対雑音比の劣化に悩まされている。
【０００７】
特許文献１（本明細書において「Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔ」として参照される）が、第二の量子化器過負荷防止の、ソリューションの実施形態を記載している。Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔは、入力信号ｘ（ｎ）の振幅レンジに対する制限を減らしつつ、量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）を回帰的に限定する、フィードフォワード型ループフィルタおよび信号リミッタを含むデルタシグマ変調器について記載している。Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔの表題は「Ｓｉｇｍａ−Ｄｅｌｔａ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｐｌｕｒａｌ  Ｏｒｄｅｒ  Ｌｏｏｐ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｓｔａｇｅｓ  ｏｆ  Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙ  Ｓｍａｌｌｅｒ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ  Ｒａｎｇｅ」であり、発明者はＮａｕｓらであり、１９９２年２月２１日に出願され、米国Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｃｏｒｐ．に譲渡された。
【０００８】
図２は、Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔによって説明されたデルタシグマ変調器２００の一実施形態を示す。デルタシグマ変調器２００は、直列接続されたフィルタステージ２０４．０、２０４．１、．．．、２０４．Ｎ−１を有する、Ｎ次のローパスループフィルタ２０２を含む。各フィルタステージ２０４．ｘは、積分器２０６．ｘおよびリミッタ２０８．ｘを含み、各フィルタステージ２０４．ｘの出力信号振幅を制限し、ここでｘ∈｛０、１、．．．、Ｎ−１｝である。すべてのフィルタステージ２０４．０、２０４．１、．．．、２０４．Ｎ−Ｉの出力信号は、それぞれの係数ｃ．０、ｃ．ｌ、．．．、ｃ．Ｎ−１（「重み係数」とも称される）によって調節され、加算ステージ２０８によって足し合わされ、フィルタ出力／量子化器入力信号ｕｆ（ｎ）を発生する。ループフィルタ２０２は、伝達関数
ｕｆ（ｎ）／ｕｄ（ｎ）＝Ｇ０Ｇ１．．．ＧＮ−１ｃＮ−１＋．．．＋Ｇ０Ｇ１ｃ１＋Ｇ０ｃ０、
にしたがって機能する。
【０００９】
ここで、Ｇ０Ｇ１．．．ＧＮ−１は、それぞれのフィルタステージ２０４．０、２０４．１、．．．、２０４．Ｎ−１の利得を表す。リミッタ２１０．０、２１０．１、．．．、２１０．Ｎ−１は、フィルタステージ出力信号を、それぞれの制限値Ｌ０、Ｌ１、．．．、ＬＮ−１に、回帰的に制限する。
【００１０】
リミッタは、フィルタ出力信号ｕｆ（ｎ）を最後のリミッタ２１０．Ｎ−１で制限し、直前のフィルタステージの出力を系統的に回帰的に制限することによって、入力信号２１０．０、２１０．１、．．．、２１０．Ｎ−１増加の場合の、デルタシグマ変調器２００内の不安定性を防止する。先行するフィルタステージの系統的、回帰的な制限は、制限値Ｌｘを以下のように設定することによって達成される。
【００１１】
【数１】
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しかしながら、Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔデルタシグマ変調器のノイズ性能は、フィードフォワードループフィルタの信号伝達関数（ＳＴＦ）が帯域周波数外の近くでピークに達するために、過負荷状態の間には低下し、それゆえに、ローパス性能を著しく損ない、過負荷時におけるノイズを引き立たせる結果となる。
【００１２】
研究者は、量子化器の過負荷を防ぎ、量子化器の過負荷リカバリタイムを短縮し、許容される信号対雑音比を維持するためのソリューションの追求を続けている。
【特許文献１】米国特許第５，２４３，３４５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施形態において、デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止する方法は、デルタシグマ変調器のループフィルタの最初のフィルタステージに量子化器出力フィードバックを提供するステップと、ループフィルタの少なくとも１つの追加フィルタステージに量子化器フィードバックを提供するステップと、を含む。本方法は、量子化器の過負荷防止状態の間にはループフィルタの最初のフィルタステージの出力を制限するステップと、ループフィルタの第二のフィルタステージに最初のフィルタステージの出力信号を提供するステップと、をさらに含む。
【００１４】
本発明の別の実施形態において、信号処理システムは、入力信号を出力信号に変換するフィードバックトポロジーを有するデルタシグマ変調器を含む。本デルタシグマ変調器は、入力信号を受け取るデルタシグマ変調器入力と、量子化器入力信号を量子化し、量子化器出力を介して量子化器出力信号を提供する量子化器と、を含む。本デルタシグマ変調器は、量子化器入力信号を量子化器に提供するループフィルタをさらに含む。本ループフィルタは、最初のフィルタステージの出力信号を制限するリミッタＬｏを有する、最初のフィルタステージを含む。本最初のフィルタステージはデルタシグマ変調器入力および量子化器出力に接続される。また、本ループフィルタは、最初のフィルタステージの出力および量子化器出力と接続されるフィルタセクションを含む。本ループフィルタの伝達関数は、リミッタＬｏがアクティブのときには、ローパス伝達関数を維持する。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態において、信号処理システムは入力信号を出力信号に変換するデルタシグマ変調器を含む。本デルタシグマ変調器は、量子化器出力信号を発生する量子化器と、量子化器と接続されたループフィルタとを含む。本ループフィルタはフィードバックトポロジーを有する。本ループフィルタは、ＦＳ０からＦＳＮ−１までの昇順に配置された、最初からＮ個の連続したフィルタステージ（ＦＳ）を含み、
フィルタステージＦＳ０は、入力信号と量子化器出力信号との間の差分からなる差分信号を受け取り、
最初からＮ個の連続したフィルタステージＦＳ０からＦＳＮ−１までのそれぞれは、量子化器からのフィードバック信号および先行するフィルタステージからの入力信号からなる入力信号を受け取り、
フィルタステージのそれぞれは、積分器を含み、
フィルタステージＦＳ０は、フィルタステージＦＳ０の出力値を最大絶対値に制限するリミッタＬ０を含み、
Ｎは負でない整数であって、Ｎ≧２である。
【００１６】
本発明の別の実施形態において、デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止する方法は、第一の差分信号を積分して第一の積分出力信号を生成するステップを含む。差分信号は、デルタシグマ変調器入力信号と第一の量子化器フィードバック信号との間の差分を含む。本方法は、量子化器の過負荷防止状態の間には、第一の積分出力信号を制限し、第一の制限された出力信号を生成するステップをさらに含む。本方法はまた、第二の差分信号を積分して第二の積分出力信号を生成するステップを含む。量子化器の過負荷防止状態の間には、第二の差分信号は、第二の量子化器出力信号と第一の制限された出力信号との間の差分を含み、それ以外のときには、第二の差分信号は、第二の量子化器出力信号と第一の積分出力信号との間の差分を含む。本方法はまた、第一の積分出力信号の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、第二の積分出力信号を制限するステップを含む。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止するための装置は、デルタシグマ変調器のループフィルタの最初のフィルタステージに、量子化器出力フィードバックを提供するための手段を含む。本装置は、ループフィルタの少なくとも１つの追加のフィルタステージに、量子化器フィードバックを提供するための手段と、量子化器の過負荷防止状態の間には、ループフィルタの最初のフィルタステージの出力を制限するための手段をさらに含む。本装置はまた、最初のフィルタステージの出力信号を、ループフィルタの第二のフィルタステージに提供するための手段を含む。
【００１８】
本発明のさらなる実施形態において、デルタシグマ変調器の量子化器の過負荷を防止するための装置は、第一の差分信号を積分して第一の積分出力信号を生成するための手段であって、差分信号は、デルタシグマ変調器入力信号と第一の量子化器フィードバック信号との間の差分を備える、手段を含む。本装置はまた、量子化器の過負荷防止状態の間には、第一の積分出力信号を制限して、第一の制限された出力信号を生成するための手段を含む。本装置は、第二の差分信号を積分して第二の積分出力信号を生成するための手段であって、量子化器の過負荷防止状態の間には、第二の差分信号は、第二の量子化器出力信号と第一の制限された出力信号との間の差分を備え、それ以外のときには、第二の差分信号は第二の量子化器出力信号と第一の積分出力信号との間の差分を備える、手段をさらに含む。本装置はまた、第一の積分出力信号の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、第二の積分出力信号を制限するための手段を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
添付の図面を参照することによって、本発明はさらに良く理解され得、その多くの目的、特長および長所が、当業者にとって明白となる。いくつかの図に共通して使用されている同一の参照番号は、同じまたは類似の要素を示す。
【００２０】
デジタル信号処理システムは、量子化器の過負荷防止状態の間には、ローパス出力および比較的高い信号対雑音比を維持するループフィルタを有する、デルタシグマ変調器を含む。量子化器の過負荷防止状態の間には、デルタシグマ変調器の閉ループのローパス伝達関数を維持することによって、ローパス出力が得られる。閉ループは、デルタシグマ変調器の量子化器と接続されたループフィルタのフィルタセクションを含む。少なくとも１つの実施形態において、量子化器の過負荷防止状態は、量子化器を過負荷にさせ得る、デルタシグマ変調器ループフィルタの少なくとも最初のフィルタステージの所定の出力信号レベルを参照する。少なくとも１つの実施形態において、デルタシグマ変調器は、Ｎ次のフィードバック型ループフィルタを有する量子化器の過負荷から保護されたデルタシグマ変調器を含み、それは、量子化器の過負荷防止状態の間には、最初のフィルタステージの出力を最初に制限する。少なくとも１つの実施形態において、最初のフィルタステージの出力の制限が量子化器の過負荷を防ぐのに不十分である場合には、デルタシグマ変調器は、少なくとも後続のフィルタステージの出力を漸進的に制限して量子化器の過負荷を防ぎ、Ｎは２に等しいかまたは２よりも大きい正の整数である。デルタシグマ変調器の量子化器は、ループフィルタの少なくとも最初の２つのフィルタステージにフィードバックを提供する。
【００２１】
Ｎ＝０である、ループフィルタの最初のフィルタステージは、デルタシグマ変調器への入力信号（「ＤＳＭ入力信号」）から導出された入力信号を、および量子化器出力信号から導出された負のフィードバック信号を受け取る。Ｎ個のフィルタステージは、最初のフィルタステージの後のＮ−１個のフィルタステージのそれぞれが直前のフィルタステージから出力信号を受け取るように、互いに連続的に接続されている。Ｎ＝１である、第二のフィルタステージもまた、量子化器出力信号から導出された負のフィードバック信号を受け取る。少なくとも１つの実施形態において、Ｎ＝｛２、３、．．．、および／またはＮ−１｝である、１つ以上の後続のフィルタステージもまた、量子化器出力信号から導出された負のフィードバック信号を受け取る。デルタシグマ変調器はフィードバックループフィルタトポロジーを利用するので、デルタシグマ変調器の信号伝達関数はローパスである。それゆえに、ループフィルタによって処理された信号は、クリッピングされる前に高速でフィルタリングされ、これは、さもなければデルタシグマ変調器出力信号のＳＮＲを低下させることになるクリッピングのアーティファクトを低減するのに役立つ。
【００２２】
Ｎ＝０である、最初のフィルタステージに対して、および最初のフィルタステージに続く１つ以上のフィルタステージに対する一実施形態において、リミッタが１つ以上の後続のフィルタステージの出力を制限する。最初のフィルタステージのリミッタは、任意の後続のリミッタが任意の後続のフィルタステージの出力を制限する前に、最初のフィルタステージの出力を制限するように構成されている。少なくとも１つの実施形態において、リミッタは後続のフィルタステージを漸進的に制限するように構成されている。少なくとも１つの実施形態において、フィルタステージは一次の積分器を含み、各フィルタステージのリミッタは、積分器のループ内に置かれる。それゆえに、各リミッタはフィルタステージの出力を制限するだけでなく、リミッタはまた、各積分器の状態変数に制限を提供する。少なくとも１つの実施形態において、デルタシグマ変調器のＳＮＲを向上させるために、遅延が少なくとも最初のフィルタステージのフォワード経路、および、好ましくはループフィルタの各フィルタステージのフォワード経路に含まれる。
【００２３】
シミュレーションにおいて、フィードバック型デルタシグマ変調器は、優れたノイズ軽減、安定性、および、Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔに開示されるリミッタ技術を用いるフィードフォワードなどの従来技術よりも速い、量子化器の過負荷からのリカバリを示す。先に記載したように、Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔのデルタシグマ変調器のノイズ性能は、フィードフォワードループフィルタの信号伝達関数（ＳＴＦ）がバンド周波数の外の近くでピークに達するために、過負荷防止状態の間には低下し、ローパス性能を著しく損ない、過負荷時におけるノイズを引き立たせかねない。一方、本明細書に記載の、過負荷防止を有するフィードバック型デルタシグマ変調器の実施形態は、バンド周波数の外の近くでシャープなカットオフ周波数を有する、ローパスループフィルタ伝達関数を維持する。それゆえに、過負荷防止の間には、フィードバック型デルタシグマ変調器は優れたノイズ低減性能を維持する。さらに、Ｎａｕｓ  Ｐａｔｅｎｔは、各フィルタステージの出力を、積分ネットワークの外側に接続されたリミッタで制限するステップを開示する。しかしながら、フィルタステージへの信号を増加させることは、積分ネットワークの状態変数を増加させ続ける。それゆえに、過負荷領域における入力信号からのリカバリタイムは増加し、延長されたリカバリタイムの間には、ＳＮＲは低下し得る。
【００２４】
図３は、量子化器の過負荷から保護された、フィードバック型デルタシグマ変調器の一実施形態を示す。デルタシグマ変調器３００は、少なくとも２つの連続したフィルタステージを有する、フィードバック型ループフィルタ３０２を使用する。デルタシグマ変調器３００は、オーバーサンプリングされた入力信号ｘ（ｎ）を受け取り、入力信号ｘ（ｎ）をローパスフィルタリングし、フィルタリングされた信号ｕｆ（ｎ）を量子化し、量子化器出力信号ｙ（ｎ）を発生する。ループフィルタは、Ｎ個の連続したフィルタステージ（ＦＳ）ＦＳ０、ＦＳ１、．．．、ＦＳＮ−１を含み、少なくとも最初のフィルタステージＦＳ０は、量子化器の過負荷防止状態の間には、対応するフィルタステージ出力信号ｕｏ０を制限するためのリミッタ３０６．０を含み、ここでＮ≧２である。フィルタステージＦＳ１〜ＦＳＮ−１および量子化器３０２は、遅延３０４を含むフィードバック経路を経由する、閉ループ３０７を形成する。過負荷の防止状態の間には、リミッタ３０６．０がアクティブのときには、最初のフィルタステージＦＳ０の出力信号ｕｏ０は、ベースバンド周波数の外側に高調波を含み得る。少なくとも１つの実施形態において、閉ループ３０７はローパス伝達関数を維持し、それゆえに、過負荷の防止状態の間には、リミッタ３０６．０がアクティブのときには、高調波を減衰させる。任意ではあるが、１つ以上の連続したフィルタステージＦＳ１，．．．、ＦＳＮ−１はまた、リミッタ３０６．１、．．．、３０６．Ｎ−１（破線で示す）を含み、量子化器の過負荷防止状態の間には、フィルタステージＦＳ１、ＦＳ２、．．．、ＦＳＮ−１のそれぞれの出力信号を制限する。少なくとも１つの実施形態において、閉ループ３０７は、任意のリミッタ３０６．０、３０６．１、．．．、３０６．Ｎ−１がアクティブのときには、ローパス伝達関数を維持する。
【００２５】
過負荷非防止状態の間には、ループフィルタ３０２に含まれる各リミッタ３０６．１は非アクティブである、言い換えれば、リミッタ３０６．ｉは入力信号ｕｉｉを制限しない。フィルタステージＦＳ０は最初のフィルタステージであり、量子化器過負荷防止状態の可能性が検出されるときには、フィルタステージＦＳ０のリミッタＬ０はアクティブであり、後続のフィルタステージ内の任意の後続のリミッタがアクティブになる前に、出力信号ｕｏ０を制限する。言い換えれば、リミッタへの入力信号が所定のレベルに達し、それぞれのフィルタステージの出力信号の制限を開始する。
【００２６】
リミッタを有する各フィルタステージのリミットレベルＬ（一般に「クリッピングレベル」ともいわれる）は、好ましくは量子化器の過負荷を防ぐように設定される。リミッタへの入力信号ｕｉｉがリミッタ３０６ｉのリミットＬｉに達したときを判定するために、コンパレータ技術が使用され得る。入力信号ｕｉｉがリミットＬｉに達した場合には、リミッタ３０６．ｉはアクティブ化され、入力信号ｕｉｉをリミットＬｉに制限（クリッピング）する。一実施形態において、リミットＬｉは、ほとんどの場合に量子化器の過負荷を防止する、大きさのレベルを表す。一般的に、最初のリミッタ３０６．０は、入力信号ｕｉ０を、入力信号ｕｉ０の正常なフルスケール値に対してフィルタステージＦＳ０で見られる信号レベルの１ｄＢから３ｄＢ上に制限する。一実施形態において、最初のフィルタステージの後のフィルタステージの、任意的なリミッタ３０６．１から３０６．Ｎ−１までのリミットＬｉは、正常なフルスケール設計入力信号ｕｉｉの約６ｄＢ上に設定され、ｉ∈｛１、２、．．．、Ｎ−１｝である。
【００２７】
シミュレーションは、漸進的なフィルタステージ出力信号制限を有する５次（すなわち、Ｎ＝５）フィードバック型デルタシグマ変調器３００の使用が、過去の正常なフルスケールを３ｄＢ上回る正弦波入力信号ｘ（ｎ）に対して、デルタシグマ変調器出力信号ｙ（ｎ）の中のノイズを４０ｄＢ低減させ得ることを示した。入力信号ｘ（ｎ）に対する正常なフルスケールは、一般的に量子化器の過負荷およびその他の信号のひずみの可能性を低減させるように設定される。量子化器の過負荷およびその他の信号のひずみの「許容し得る可能性」は、設計上の選択の問題である。
【００２８】
量子化器は、シングルビットまたはマルチビット量子化器出力信号ｙ（ｎ）を発生するように設計され得る。量子化器出力信号ｙ（ｎ）は、遅延３０４を経由してＮ個の連続したフィルタステージＦＳ０、ＦＳ１，．．．．、ＦＳＮ−１のそれぞれにフィードバックされる。遅延した量子化器出力信号ｙ（ｎ−ｌ）は、所望の周波数応答を得るために、係数ｃ０、ｃ１、．．．、ｃＮ−１によって加重され得る。係数ｃｏ、ｃ１、．．．、ｃＮ−１は、例えば、Ｎｏｒｓｗｏｒｔｈｙらの、「Ｄｅｌｔａ  Ｓｉｇｍａ  Ｄａｔａ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ−Ｔｈｅｏｒｙ，Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ」１９９７年、ＩＳＢＮ  ０−７８０３−１０４５−４の特に第三章および第五章に記載されているような、従来の方法によって求められ得る。
【００２９】
ループフィルタ３０２は、少なくとも四つのフィルタステージ、最初のフィルタステージＦＳ０ならびに少なくとも三つの後続のフィルタステージＦＳ１、ＦＳ２、およびＦＳＮ−１を含むフィルタセクションによって表現される。他の実施形態において、フィルタステージの数Ｎは設計上の選択であり、２と等しいかまたは２よりも大きい任意の数である。ループフィルタ３０２はまた、Ｎ個の初めのフィルタステージと接続される追加のフィルタステージを含み得る。追加のフィルタステージはまた、リミッタを含むことを必要としない。少なくとも１つの実施形態において、各フィルタステージＦＳｉは、積分ループの中にリミッタ３０６ｉを有する一次の積分器である。積分ループの中にリミッタ３０６ｉを含むことは、フィルタステージＦＳｉの出力を制限し、量子化器の過負荷を防ぎ、フィルタステージＦＳｉの状態変数を最大値に制限して過負荷の防止状態からのリカバリを早める。
【００３０】
デルタシグマ変調器３００の動作中、最初のフィルタステージＦＳｏはデルタシグマ変調器入力信号ｘ（ｎ）および量子化器フィードバック信号ｙ（ｎ）から導出された入力信号ｕｉｏ（ｎ）を受け取る。一実施形態において、第一ステージ入力信号ｕｉｏ（ｎ）は、入力信号ｘ（ｎ）と加重された量子化器出力信号ｃ０×ｙ（ｎ−１）との間の差分である、すなわち、ｕｉｏ＝ｘ（ｎ）−［ｃ０×ｙ（ｎ−１）］。後続のそれぞれのフィルタステージＦＳｉ、ｉ∈｛１、２、．．．、Ｎ−１｝、の入力信号ｕｉｉ（ｎ）は、前のフィルタステージＦＳｉ−１の出力信号ｕｏｉ−１（ｎ）および量子化器フィードバック信号ｙ（ｎ）から導出される。一実施形態において、ｉ∈｛１、２、．．．、Ｎ−１｝について、入力信号ｕｉｉ（ｎ）＝ｕｏｉ−１（ｎ）−［ｃｉ×ｙ（ｎ−１）］である。図において、フィルタステージ入力および出力信号の「（ｎ）」は、密集しているために省略されている。
【００３１】
ｉ∈｛１，２，．．．、Ｎ−１｝について、入力信号ｕｉｉ（ｎ）＋ｕｏｉ（ｎ−ｌ）がリミットＬｉに到達する場合には、リミッタ３０６ｉはフィルタステージＦＳｉの出力信号ｕｏｉを、所定のレベルであるリミットＬｉに制限する。値の符号は、加算の操作を減算の操作に、またその逆にするように処理され得る。
【００３２】
所定のリミットＬ０は、後続の任意のリミッタ３０６．１〜３０６．Ｎ−１がフィルタステージＦＳ１からＦＳＮ−１までのそれぞれの出力信号を制限する前に、リミッタ３０６．０がフィルタステージＦＳ０の出力信号ｕｏ０を制限するように確立される。一実施形態において、所定のリミットＬ０は、デルタシグマ変調器３００が入力信号ｕｉ０（ｎ）によって励起されたときに、入力信号ｘ（ｎ）がフィルタステージのフルスケール値を１０％〜２０％上回るまでは、リミッタ３０６．０による制限が起こらないように設定される。少なくとも１つの実施形態において、フィルタステージ入力信号ｕｉ０（ｎ）のフルスケール値は、デルタシグマ変調器３００の変調指数に量子化器フィードバック信号ｙ（ｎ）を掛けた値によって定義される。好ましくは、リミッタ３０６．０から３０６．Ｎ−１までは、漸進的にそれぞれのフィルタステージＦＳ０からＦＳＮ−１までを制限し、ノイズ軽減を最大化しリカバリタイムを最小化する。
【００３３】
従来のフィルタ設計技術は、漸進的なフィルタステージ出力信号の制限と組み合わせて使用され得る。例えば、ループフィルタ３０２はまた、利得係数−ｇｌを有する共振器３０８を任意で含み得る。共振器は一般的にデルタシグマ変調器ループフィルタの中で使用され、より効果的なノイズシェーピングを提供する。
【００３４】
図４は、量子化器の過負荷から保護されたフィードバック型デルタシグマ変調器の別の実施形態を示す。デルタシグマ変調器４００は、遅延４０２．０、４０２．１、．．．、４０２．Ｎ−１がフィルタステージ積分器のフィードバックループの中ではなく、フィルタステージＦＳ０、ＦＳ１、．．．、ＦＳＮ−１のそれぞれのフォワード経路に含まれていることを除き、デルタシグマ変調器３００と同一である。遅延４０２．０、４０２．１、．．．、４０２．Ｎ−１は、量子化器の過負荷防止状態の間には、デルタシグマ変調器４００のループフィルタ４００のローパスフィルタ特性を改善する。一実施形態において、フォワード経路遅延を有する各フィルタステージＦＳ０、ＦＳ１、．．．、ＦＳＮ−１の伝達関数は、（ｚ−１）／（１−ｚ−１）である。したがって、量子化器の過負荷防止状態の間には、１つ以上のフィルタステージＦＳ０、ＦＳ１，．．．、ＦＳＮ−１は、それぞれのフィルタステージ出力信号を制限し、デルタシグマ変調器４００はローパスフィルタ伝達関数を用いて、デルタシグマ変調器入力信号ｘ（ｎ）の変調を継続する。
【００３５】
図５を参照して、信号処理システム５００は、量子化器の過負荷防止状態の間には、ローパスループフィルタ伝達関数を維持する、デルタシグマ変調器５０２を含む信号処理システムの一実施形態を示す。デルタシグマ変調器５０２は、その両方がフィルタステージ出力信号を漸進的に制限して量子化器過負荷の防止を提供するループフィルタを含む、デルタシグマ変調器３００およびデルタシグマ変調器４００などのような、デルタシグマ変調器を示す。信号処理システム５００は、音声スピーカなどの出力機器を駆動するデジタル−アナログ変換（「ＤＡＣ」）の実装での使用において、特に有用である。信号処理システム５００は、入力信号源５０３によって発生された入力信号５０４を処理する。入力信号５０４は、デジタルでもアナログでもよく、録音／ミキシングの処理の一部分として生成された信号を含む任意の信号源またはその他のハイエンド音源からのもの、あるいは、コンパクトディスクプレイヤー、ＭＰ３プレイヤー、音声／映像システム、またはその他の信号記録および／または再生機器などの、ローエンドの音源からのものであり得る。
【００３６】
入力信号５０４は、音声信号、映像信号、音声プラス映像信号、および／またはその他の種類の信号であり得る。一般的に、入力信号５０４は、デルタシグマ変調器５０２によって変調されるのに先立って、いくらかの前処理５０６を受ける。例えば、前処理５０６は、補間フィルタを含み得、周知の方法によってデジタル入力信号５０４をオーバーサンプリングする。前処理５０６は、アナログ／デジタル変換を含み得、アナログの入力信号５０４をデジタル信号に変換する。前処理５０６はまた、ミキシング、残響、等化、編集、帯域外雑音のフィルタリングおよびその他のフィルタリング操作を含み得る。
【００３７】
デジタル領域において、前処理５０６は、離散的入力信号ｘ［ｎ］を、ルックアヘッドデルタシグマ変調器５０２に提供する。各離散的入力信号ｘ［ｎ］はＮ−ビット信号であり、ここでＮは１よりも大きい。上記でさらに詳細に説明したように、ルックアヘッドデルタシグマ変調器５０２は、Ｍ入力信号ｘ［ｎ］およびＭ出力候補ｙ［ｎ］のパターンを処理し、各入力信号ｘ［ｎ］に対応する出力候補から出力信号５０７を求める。出力信号５０７は、例えば、１ビットの出力値の集合である。出力信号５０７は、それゆえに、入力信号５０４の符号化されたバージョンとなる。
【００３８】
信号処理システム５００は、デルタシグマ変調器５０２の出力信号５０７を後処理する、後処理５０８を一般的に含む。後処理５０８は、出力信号５０７を、再生／出力デバイス５１０のためにアナログドライブ信号に変換することができる、アナログフィルタを含み得る。少なくとも１つの実施形態において、再生／出力デバイス５１０は、音声スピーカを表す。
【００３９】
本明細書において開示された信号処理システムは、周知の統合型、分散型、または統合型と分散型の組み合わせの、構成要素を使用して製造され得る。また、プロセッサと組み合わされたソフトウェアが、本信号処理システムの特長を実装するために使用され得る。特に、本明細書において記載されたデルタシグマ変調器は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組み合わせを使用して、実装され得る。
【００４０】
本発明が詳細に説明されてきたが、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな変更、置換および代替がこれに関して行われ得ることが、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（従来技術）は、Ｎ次のデルタシグマ変調器を示す。
【図２】図２（従来技術）は、（Ｎ−１）フィルタステージから始まるフィルタステージの系統的、回帰的な制限を有する、フィードフォワード型Ｎ次デルタシグマ変調器を示す。
【図３】図３は、量子化器の過負荷から保護された、フィルタステージの漸進的な制限を有する、フィードバック型デルタシグマ変調器を示す。
【図４】図４は、量子化器の過負荷から保護された、フィルタステージの漸進的な制限および１つ以上のフィルタステージにおけるフォワード経路の遅延を有する、フィードバック型デルタシグマ変調器を示す。
【図５】図５は、量子化器の過負荷から保護された、フィードバック型デルタシグマ変調器を含む、例示的な信号処理システムを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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