(57)【要約】マルチレベルの量子化およびディザー化量子化器を備えるＮ次シェーピングコーダーである。そのコーダー（５００）は、本来的に安定していて純粋にホワイトな量子化エラースペクトルを生成する。１つの代表的な実施例において、コーダーは一次であって、例えば、Ｍ＝２でＭ倍のサンプルアンドホールドをディザーシーケンスに適用して多重クロックサイクルのために一定のディザーを有効に保持することを含む改良されたディザー構成が使用される。この結果、都合の良いことに、１つのクロックサイクルについて最初にゼロを通過せずに、１つのクロックサイクルにおける２つの量子化インタバルを越えて量子化器がジャンプする場合が低減されることになる。シェーピングコーダーを実現する方法もまた開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トライレベルの量子化および実質的にディザー化された量子化器を備える一次雑音シェーピングコーダーであって、入力シグナルを処理するようにされたコーダー。
【請求項２】
Ｍ倍のサンプルアンドホールドのディザーシーケンスへの適用を含むディザー構成を備える請求項１に記載のコーダー。
【請求項３】
コーダーのクロックサンプリングレートよりもＭ倍小さなクロッキングレートを有するＰＮシーケンス生成器を更に備える請求項２に記載のコーダー。
【請求項４】
Ｍ倍のサンプルアンドホールドのディザーシーケンスへの適用を含むディザー構成を備え、Ｌが１より大きいとき、Ｌ数レベルの量子化を備えるＮ次雑音シェーピングコーダー。
【請求項５】
コーダーを有するデータ通信装置において用いるファクタＭのサンプルアンドホールドデシメーション装置であって、前記コーダーのサンプリングクロックレートよりもＭ倍小さなレートのクロッキングを有する擬似雑音（ＰＮ）シーケンス生成器を備えるファクタＭサンプルアンドホールドデシメーション装置。
【請求項６】
Ｍが２の累乗に等しい請求項５に記載の装置。
【請求項７】
入力シグナルを提供し、
マルチレベルの量子化を前記入力信号に適用し、前記適用する動作には、Ｍ倍のサンプルアンドホールドのディザーシーケンスへの適用を含み、それによって、少なくとも複数のクロックサイクルについて一定のディザーを保持する
ステップを備える、コーダー装置において雑音シェーピングコーディングを実行する方法。
【請求項８】
前記適用する動作は、
擬似雑音（ＰＮ）シーケンス生成器を提供し、
前記コーダーのサンプリングクロックレートよりＭ倍小さなレートで、前記生成器をクロッキングする
ステップを備える請求項７に記載の方法。
【請求項９】
Ｌ１がキャリア周波数ＦＣの倍数であるとき、クロックレートＦＣ／Ｌ１でデジタルデータを受信し、かつ前記デジタルデータをエンコーディングする、完全ディザー化一次マルチレベル量子化雑音シェーピングエンコーダーと、
ＤＣのまたは実質的にその近くの周波数を有する電源と、
前記キャリア周波数ＦＣのまたは実質的にその近くの共振周波数を有する共振器と、
前記共振器に蓄積されたエネルギーを受信する、前記共振器に結合された負荷インピーダンスと、
チャージングスイッチと、
を備え、前記チャージングスイッチは、前記一次雑音シェーピングエンコーダーと、前記電源と、前記共振器と、およびＬ２が前記キャリア周波数ＦＣの倍数であるクロックレートＬ２ＦＣを有するクロックとに結合され、
（ｉ）前記一次雑音シェーピングエンコーダーからエンコード化されたデータを受信し、
（ｉｉ）前記電源の電圧または電流をサンプルし、
（ｉｉｉ）前記電源電圧または電流サンプルを前記共振器に配送するようにされたチャージングスイッチである
デジタル作動共振パワー（ＤＡＲＰ）変換器。
【請求項１０】
無線周波数装置において用いる、マルチレベルの量子化および実質的にディザー化された量子化器を備える一次雑音シェーピングコーダーであって、入力信号を処理するようにされたコーダー。
【請求項１１】
Ｍ倍のサンプルアンドホールドのディザーシーケンスへの適用を含むディザー構成を備える請求項１０に記載のコーダー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権）
この出願は、２００３年３月４日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／０６５２８号と、同じ名称の、２００３年３月４日出願の米国特許出願第１０／３８２，３２６号の優先権の利益を主張しており、それは、やはり同じ名称の２００２年３月４日出願（第一出願）の米国仮特許出願第６０／３６１，８１３号に優先権を主張しており、それらは各々文献の援用によって全体がここに組み込まれる。
（関連出願）
この出願は、同時出願の「無線周波数送信用共振パワー変換器およびその方法」という名称の、同出願人によって同時に出願中の米国特許出願第１０／３８２，２９７号と関連しており、それは、２００２年３月４日出願の同じ名称の米国仮特許出願第６０／３６１，８１２号の優先権の利益を主張しており、それらは双方とも文献の援用によって全体がここに組み込まれる。
（１．発明の分野）
本発明は、一般に信号処理に関し、特に１つの代表的な観点において、信号変調および雑音シェーピングエンコーディングに効率的な装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（２．関連技術の説明）
一次変調器は、この出願の出願日からおよそ５０年も遡って、最も初期に研究されたタイプであった。約２０年前に、デジタルシグマコーダーが商業的に容易に実現できるものとなった。しかしながら、産業上、二次およびより高次のコーダーが好まれて、一次コーダーは大きく取り残されたが、これは、必要とされるノイズフロアに関して、一次コーダーが、耐え難いほど高レベルのアイドルチャンネルトーン（ｉｄｌｅ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｔｏｎｅｓ）および相関ノイズを生成するからである。これらの望ましくないトーンを純粋にホワイトの量子化エラーにディザリングしようとする、本件の譲受人の知っているあらゆる試みは今日まで失敗に終っている。また、一次コーダーは、より高次のコーダーとして同じ帯域内分解能を達成するのにずっと高いオーバーサンプリング比を必要とする。これらのより高いオーバーサンプリング比は、たいていの回路設計者には不利益なトレードオフとみなされている。加えて、最新のＶＬＳＩ技術によって、より高次のコーダーを実現して加わる複雑さにおいての損失は、いずれも事実上除去されている。したがって、一次コーダーは、産業上の重大な実用アプリケーションが制限されていると、今日一般に広く信じられている。
【０００３】
（ディザー化マルチビットΔΣ変調器）
ＰＣＭ量子化におけるディザリングは、成熟した技術である。図１に示されるように、ＰＣＭ量子化器は、１つの量子化器レベルに広がるＲＰＤＦディザーまたは２つの量子化器インタバルに広がるＴＰＤＦディザーでディザー化される。ディザー化デルタシグマコーダーは、ノースワーシー（Ｎｏｒｓｗｏｒｔｈｙ）によって「デルタシグマデータ変換器（Ｄｅｌｔａ−Ｓｉｇｍａ  Ｄａｔａ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」、ＩＥＥＥ  Ｐｒｅｓｓ、ＩＳＢＮ０−７８０３−１０４５−４の第３章で文書化されており、文献の援用によってその全体がここに組み込まれる。
【０００４】
１ビット量子化器について、ディザーが量子化器インタバルの半分を超えて広がると、必ずコーダーを過度にオーバーロードして不安定としてしまうことが、前述の参考文献には明白に示されている。このレベルのディザーでさえ、より低次の変調器が、なおもアイドルチャンネルトーンおよび相関するノイズを示す。にもかかわらず、１ビットコーダーに人気があるのは、主に以下の簡単な原理による：２点が直線を定義する。したがって、それらは本来的に線形である。しかしながら、それらに関係して数多くの問題がある。それらは：本来的に二次より大きな次数について不安定である；それらの帯域外のノイズ密度は、比較的高く、アグレッシブな雑音シェーピングを通して帯域外周波数で悪化する；それらはｆＳ／２近くで非常に大きなトーンを生成する；それらに続く帯域外フィルタを実現するのに問題がある；それらは比較的高いオーバーサンプリング率を必要としており、高いパワーの消散を引き起こす。代替するのはマルチビット雑音シェープ化コーディングである。マルチビットＤ／Ａ変換器内の厳しいマッチング要件を緩和する種々の構成が報告されている。マルチビットの能力を設計プロセスに取り入れた結果、多くのパラメータがトレードオフされ、緩和されている。
【０００５】
図１は、典型的な従来技術の、ディザリングを備えるパルスコード変調（ＰＣＭ）量子化器を示す。
【０００６】
図２は、典型的な従来技術の、ディザリングを備える雑音シェーピングコーダーを示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したことに基づいて、必要とされるのは、コーディングおよび量子化を効率良く実現する、特に無線周波数または匹敵する通信システムにおいて用いられる信号変調のための改良された装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
発明の第一の観点において、信号変調用の改良された装置が開示される。その装置は、一般にマルチレベルの量子化を持つ雑音シェーピングコーダーおよびディザー化された量子化器を備える。装置は、都合の良いことに、本来的に安定しており、純粋に「ホワイトの」量子化エラースペクトラムを生成する。１つの代表的な実施例において、装置は、ディザリングおよびトライレベル（ｔｒｉ−ｌｅｖｅｌ、すなわち３−レベル）量子化を持つ非オーバーロード安定（ｎｏ−ｏｖｅｒｌｏａｄ  ｓｔａｂｌｅ）一次雑音シェーピングコーダーを備える。装置は、都合の良いことに、本来的に安定しており、純粋に「ホワイト（白色）な」量子化エラースペクトラムを生成する。別の代表的な実施例において、装置は、サンプル／ホールドＭによるデシメーションディザリング（ｓａｍｐｌｅ／ｈｏｌｄ  ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ−ｂｙ−Ｍ  ｄｉｔｈｅｒｉｎｇ：サンプル／ホールド  Ｍ−間引きディザリング）およびトライレベル量子化を持つ非オーバーロード安定一次雑音シェーピングコーダーを備える。
【０００９】
発明の第二の観点において、雑音シェーピングコーディングを実現する改良された方法が開示される。その方法は、概ね、入力信号を提供し、それにマルチレベルの量子化を適用し、それには、Ｍ倍のサンプルアンドホールドのディザーシーケンスへの適用を含み、それによって複数のクロックサイクルについて一定のディザーを有効にホールドするステップを備える。
【００１０】
発明の第三の観点において、改良されたＭ−ファクタサンプルアンドホールドデシメーション装置（Ｍ−ｆａｃｔｏｒ  ｓａｍｐｌｅ  ａｎｄ  ｈｏｌｄ  ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）が開示される。１つの代表的な実施例において、装置は、コーダーのサンプリングクロックレートよりもＭ倍小さなレートでのクロッキングを有するＰＮシーケンス生成器を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明の特長、目的および利点は、図面と関連付けて以下に記述される詳細な説明からより明らかになる。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
ここで図面を参照するが、全体を通して同様の番号は同様の部分を言及する。
【００１３】
ここで用いられるように、便宜的な用語「送信する（ｔｒａｎｓｍｉｔ）」「送信（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）」および「送信すること（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ）」は、適用可能なところで、信号を送信し、かつ信号を受信するという動作の双方に言及するものと広く考えられる。
【００１４】
ここで用いられるように、「メモリ」および「蓄積デバイス（ｓｔｏｒａｇｅ  ｄｅｖｉｃｅ）」という用語は、ＲＡＭ（例えば、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＥＤＲ−ＤＲＡＭ、ＤＤＲ）、ＲＯＭ（例えば、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＵＶ−ＥＰＲＯＭ）、磁気バブルメモリ、光メモリ、埋め込みフラッシュメモリなどを制限なく含む、データまたは情報を蓄積するあらゆる手段を含むことを意味する。
【００１５】
以下の説明は、主に無線ＲＦハンドセット（例えば、携帯電話）に関して向けられているが、本発明は、特定の無線方法、エアインターフェース、アーキテクチャーまたはさらに詳しくは無線アプリケーションのいかなるものへも制限されないということが認識される。発明は、ここに記述されるいかなる制限とも矛盾しないで、あらゆる種類の非無線システムに等しく適用される。
【００１６】
（ディザーでの安定性テスト）
ディザーを持つマルチビット雑音シェーピングコーダーおよび変調器の一般的な安定性の１つの代表的な分析を、ノースワーシーによる前述の参考文献、第３章１３０頁乃至１３１頁（ｐｐ．１３０−１）から取り上げる。この安定性テストは、フィルタのインパルス反応の
2005520406.tif 000003
に基づいており、量子化器が、安定したままとなるためには、非オーバーロード領域において動作しなければならないという仮説が立てられる。少数のビットを有する量子化器について、この仮定は時に控えめであり過ぎ、それは、多くの雑音シェーピングコーダーアーキテクチャーが、非オーバーロード領域外のそれら内部の量子化器で動作するからである。にもかかわらず、この種の安定性分析は、問題およびトレードオフを検査するのになおも有用である。
【００１７】
以下の分析における信号変数は、図１および図２に適用する。前述のように量子化エラーは１量子化ステップインタバルΔを占有する。ディザーがδの範囲を占有するならば、相対ピークディザー振幅はδ／Δである。したがって、
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であり、これより下式が導かれる。
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ここで、‖ｈ‖１は、下式で与えられるスケーリングされたインパルスのＬ１標準であり、
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かつ‖ｘ‖∞は、入力のＬ∞標準であり、それは単に最大ピーク値である。
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決してオーバーロードされることのないＬレベル量子化器について等式（１．１）は下式となり、
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よって
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Ｌを特定する都合上、等式（１．３）を整理しなおすと下式となる。
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【００１８】
したがって、量子化器が非オーバー領域内に留まるためには、量子化器は、フィルタのあり得る最大の出力値プラス最大の入力サンプルの双方の発生を同時に含むのに充分なダイナミックレンジ（ステップ）を有さなければならない。さもなければ、量子化器はオーバーロードし、それに潜在的なループの不安定が続く。等式（１．４）から、加えられたディザーについての損失を直ちに見ることができるが、この損失は実際にかなり控えめである。相対ピークディザーδ／Δが１（ｕｎｉｔｙ）であるならば、結果として得られるＬの値は非ディザー化の場合のそれの丁度２倍であり、量子化器においてダイナミックレンジをもう１ビット必要とする。
【００１９】
（ディザーを備えるマルチレベル変調器）
Ｌ＝２である古典的な場合について、δ／Δが１であるならば、量子化器は完全にディザー化されるが、これによって非オーバーロード入力レベルがゼロに限定される。Ｌ＝３の場合について等式（１．４）の関係を適用することによって、非オーバーロード入力範囲が量子化インタバルの半分となる。かくして、コーダーの有用な入力が半減され、かつ完全にディザー化された量子化器が雑音エラーは倍加するものの、システムはホワイトな雑音エラーを生成し、かつ同時に本来的に安定している。
【００２０】
コーダーの出力を用いてパワーデバイス（例えば、携帯電話のハンドセット）を駆動するとき、パワーを節約するのにトライレベル量子化器が非常に重要である。まず第１に、システムが｛＋１，０，−１｝の発生の等しい確率を有するならば、時間の３分の１はシステムが停止していて、出力にパワーを送る必要は無い。しかしながら、この利点の多くは、伝統的なディザーで失われる。ディザー信号は通常、変調器への最低周波数入力信号に関して相対的に長い擬似ランダムＰＮシーケンスであると仮定される。全てのサンプリングクロックインタバルで値を変えるようにもまた仮定される。この結果、２量子化インタバルにも広がる量子化器の出力で、クロックツークロックのエクスカーション（ｃｌｏｃｋ−ｔｏ−ｃｌｏｃｋ  ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）を生じる。したがって、完全ディザー化の量子化器を備えるトライレベルの場合において、量子化器の出力が、最初にゼロを通らずに＋１から−１へとジャンプし、あるいはその反対となることが頻繁に起こる。ここで出願人の行ったシミュレーションによって、２倍のサンプルアンドホールドを単純にディザーに置くことによって、すなわち、ディザーサンプルを１つおきのクロックサイクルだけで変えることで、結果として、量子化器が、１つのクロックサイクルにおいて２量子化インタバルをステップスルーする頻度（ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆ  ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｓ  ｗｈｅｒｅ  ｔｈｅ  ｑｕａｎｔｉｚｅｒ  ｓｔｅｐｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｗｏ  ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｖａｌｓ  ｉｎ  ｏｎｅ  ｃｌｏｃｋ  ｃｙｃｌｅ）が激減する（２倍よりもずっと大きく）ことが示される。この結果は、パワー効率にとって非常に重要であり、それは、広いエクスカーションによって、システムが頻繁に休止することが防止され、かつそれが強制的に、これらのインタバルでパワーを浪費させられるからである。
【実施例１】
【００２１】
ここで、図３乃至図５参照すると、発明の種々の代表的な実施例がより詳細に記述されている。図３は、本発明による、ディザリングおよびトライレベル量子化をもつ非オーバーロード安定一次雑音シェーピングコーダー３００の代表的な構成を示す機能ブロック図である。
【実施例２】
【００２２】
図４は、本発明による、サンプル／ホールドデシメーションディザリングおよびトライレベル量子化をもつ非オーバーロード安定一次雑音シェーピングコーダー４００の代表的な構成を示す機能ブロック図である。ファクタ「Ｍ」でデシメーションされたサンプルアンドホールド構成要素４０２が、この実施例で用いられており、「Ｍ」は、２の累乗（すなわち、２１、２２、２３など）を制限無く含む１よりも大きなものならびに２の累乗ではない他のデシメーション・ファクタを備える。
【実施例３】
【００２３】
図５は、本発明による、サンプル／ホールドデシメーションディザリングをもつ雑音シェーピングコーダー５００の代表的な一般化された構成を示す機能ブロック図である。ここで、任意の次数（Ｈ（ｚ）−１）のコーダー５０４と関連して、ファクタＭデシメーション回路５０２が用いられており、それによって発明の可能なアプリケーションの広がりを示している。
【００２４】
ノースワーシーらによる前述のテキストに見出されるような、ディザー化雑音シェーピングコーダーについて教示する従来技術は、ディザーのサンプルレートがコーダー自体のサンプルレートと同じであると仮定している。必然的にパワー消費を節約するために、最高周波数のアプリケーションにおいて、典型的には、可能な限り低いクロックレートで回路を動作させるあらゆる機会を探す。ディザー生成のソースの典型である擬似ランダム擬似雑音（ＰＮ）シーケンス生成器は通常、やはりコーダー自体のサンプルレートとほとんど同じであるレートでクロッキングするシフトレジスタからなる。この譲受人は、広範囲にわたるシミュレーションを通して、ディザーサンプルがコーダーのサンプリングレートよりも低いレートで生成されるならば、ほとんど同じぐらい有効であり得るということを発見した。このことは、前述の図４および図５の代表的な実施例において示されている。とりわけ、ディザーは、ファクタＭによる後処理サンプル／ホールドデシメーションを経ることが示されている。
【００２５】
代表的な実施例において、このことは、コーダーのサンプリングクロックレートよりもＭ倍小さなレートで、ＰＮシーケンス生成器のクロックを走らせさえすれば達成できる。例えば、Ｍ＝２であるならば、１つのディザーサンプルは、コーダーの２クロック期間に渡って有効に保持され、または換言すれば、コーダーの状態変数はディザーが変化する２倍の速さで変化する。そのようにすることで、ＰＮシーケンス生成ロジックのパワー消費が顕著にカットできる。ＰＮレジスタ長が大きければ、全体としてより大きな利点さえをも得られる。しかしながら、前述のＰＮベースのデシメーションに他のアプローチが取って代わってもよく、そのような他のアプローチは、本件による開示をもって当業者に直ちに実行されるものであることが認識される。
【００２６】
本発明のある特定の代表的なアプリケーションは、２００３年３月４日付けで本件と同時に出願された「無線周波数送信用共振パワー変換器および方法」という名称の、本出願人の、同時に出願中である米国特許出願第１０／３８２，２９７号に詳細に記述されているような共振パワー変換器と関係しており、その文献は、援用によってその全体をここに組み込んでいる。しかしながら、前述の共振変換器から離れた本発明の他の用法が多種多様存在していて、本発明は、前述の代表的なアプリケーションに制限されるものでは決してないことが認識される。
【００２７】
例えば、図４の代表的な一次エンコーダーは、時分割マルチアクセス（ＴＤＭＡ）システムにおいて、またはそれと同種のシステム、例えば、ＧＳＭ、陸線モデム（ｌａｎｄｌｉｎｅ  ｍｏｄｅｍｓ）、ＡＤＳＬモデム、デジタルオーディオコーディング（音声帯域コーデックを含む）、そして潜在的には時変調超広帯域（ＴＭ−ＵＷＢ）システムにおいて用いられる。ＴＤＭＡおよびそのような他のシステムは一般に、帯域外雑音要件の厳格さがより低く、一次エンコーダーを用いることが可能である。ＴＤＭＡのようなシステムにおいて、受信機と送信機は同時にＯＮとはならず、関与する送信帯域外の量子化雑音の抑制は、ＣＤＭＡのような、双方が同時にＯＮとなる他のシステムにおいてほどは到底重大ではないが、それでも、本発明のアプリケーションが、受信機と送信機とを同時にＯＮとしないもののみに限定されるわけではないことも認識される。
【００２８】
ここで記述されるディザー構成および装置は、次数（ｎ＝１，２，３，．．．）に係わらず、いかなるタイプのエンコーダーにも等しく適用可能であることもまた直ちに理解される。例えば、発明は、一次エンコーダー、二次または三次エンコーダーなどに適用される。
【００２９】
発明のある観点は、方法のステップの特定のシーケンスまたは発明の方法論を実行するのに適合される装置においての構成要素の次数に関して記述される一方で、これらの記述は、より広い発明の例示に過ぎず、特定のアプリケーションに必要とされるように変更されてもよいということもまた認識される。あるステップ／構成要素は、ある状況の下で不要または選択的とされてもよい。加えて、あるステップ／構成要素または機能性が、開示された実施例、または置換された２以上のステップのパフォーマンスの順序または構成要素に加えられても良い。そのような変形例は全て、ここに開示され、請求の範囲に記載された発明に包含されると考えられる。
【００３０】
前述の詳細な説明によって、発明の新規な特長が種々の実施例に適用されて示され、記述され指摘されているが、例示されたデバイスまたはプロセスの形状および詳細において、種々の省略、置き換えおよび変形が、当業者によって、発明から逸脱することなく行われることが理解される。先の記述は、発明を実施するのに現在考えられているベストモードである。この記述は、制限的であることを意味するものではなく、むしろ発明の一般的な原理を例示するものとして捉えるべきである。発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】典型的な従来技術の、ディザリングを備えるパルスコード変調（ＰＣＭ）量子化器の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】典型的な従来技術の、ディザリングを備える雑音シェーピングコーダーの構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明による、ディザリングおよびトライレベル量子化を持つ非オーバーロード安定一次雑音シェーピングコーダーの代表的な構成を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明による、サンプル／ホールドデシメーションディザリングおよびトライレベル量子化を持つ非オーバーロード安定一次雑音シェーピングコーダーの代表的な構成を示す機能ブロック図である。
【図５】サンプル／ホールドデシメート化ディザリングを持つ雑音シェーピングコーダーの代表的な一般化された構成を示す機能ブロック図である。
【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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