(57)【要約】【課題】出力パルス信号の歪み補正特性の変更が容易であり、かつ、安定性の高いパルス幅変調装置を提供する。【解決手段】パルス幅変調装置は、デジタル信号ＤＳをその信号値に応じたパルス幅を有するパルス信号ｗに変調する。量子化器１２はノイズシェーピングフィルタ１１の出力をビット数の少ないデジタル信号ｙに変換する。パルス幅変換器１３は量子化器１２の出力ｙをパルス信号ｗに変換する。補正回路１４は、量子化器１２の出力ｙを受けて、パルス信号ｗにおける非線形歪みを補正するための補正信号ｒを出力する。ノイズシェーピングフィルタ１１は、量子化器１２の出力ｙと補正信号ｒとの両方を受けて、入力デジタル信号ＤＳに対してノイズシェーピング処理を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎは２以上の整数）ビットの入力デジタル信号を、その信号値に応じたパルス幅を有するパルス信号に変調するパルス幅変調装置であって、
前記入力デジタル信号に対してノイズシェーピング処理を行うノイズシェーピングフィルタと、
前記ノイズシェーピングフィルタの出力を、Ｍ（ＭはＮより小さい整数）ビットのデジタル信号に変換する量子化器と、
前記量子化器の出力を、前記パルス信号に変換するパルス幅変換器と、
前記量子化器の出力を受けて、前記パルス信号における非線形歪みを補正するための補正信号を出力する補正回路とを備え、
前記ノイズシェーピングフィルタは、前記量子化器の出力と、前記補正回路の出力との両方を受けて、ノイズシェーピング処理を実行するように構成されている
ことを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項２】
請求項１記載のパルス幅変調装置において、
前記量子化器と前記パルス幅変換器との間に設けられており、前記量子化器の出力の階調数を制限して出力するリミッタを備え、
前記パルス幅変換器は、前記量子化器の出力に代えて、前記リミッタの出力を受ける
ことを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項３】
請求項２記載のパルス幅変調装置において、
前記補正回路は、前記量子化器の出力に代えて、前記リミッタの出力を受ける
ことを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項記載のパルス幅変調装置において、
前記ノイズシェーピングフィルタは、前記補正回路の出力による補正特性を、調整可能なように構成されている
ことを特徴とするパルス幅変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばスイッチングを使用して高効率で電力増幅を行うデジタルオーディオパワーアンプに用いられる、パルス幅変調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、オーディオの再生機器はステレオが中心であったが、近年はＤＶＤやＢＤと呼ばれる映像を含めたいわゆるＡＶ（Audio Visual）機器に置き換わってきている。こうしたＡＶ機器では、迫力や臨場感を増すために音声系にはサラウンドｃｈ（チャンネル）といわれる追加ｃｈが使用されている。このような多ｃｈの音声再生や、より省電力での音声再生に向けて、高効率のスイッチングアンプが使用されている。
【０００３】
こうしたスイッチングアンプの中に、デジタル信号に特化して全ての処理をデジタルで行うフルデジタルアンプがある。一般的なフルデジタルアンプでは、１６ビットや２４ビットで表わされた入力信号を、ノイズシェーピング回路と呼ばれる信号処理で数ビットのデータに変換して、この信号をパルス幅変換器に入力して、パルス幅が変化する１ビットの信号に変換する。そして、この変換されたパルス列を電力スイッチで増幅し、出力されたパルス列をローパスフィルタに通すことにより、オーディオ信号を取り出して、このオーディオ信号でスピーカーを駆動する。
【０００４】
ここでまず、基本的なノイズシェーピング回路の動作について、簡単に説明する。図６は最も簡単な１次のノイズシェーピング回路のブロック図である。量子化器５２は、例えば２４ビットの信号を６ビットに切り捨て、出力データのビット数を減らす処理を行う。また、量子化器５２の出力から入力を引くことによって、量子化による誤差すなわち量子化ノイズが計算できる。
【０００５】
この量子化ノイズをＶｑ、遅延処理をＺと表記すると、図６から以下の式が成り立つことがわかる。
出力＝入力＋（１−Ｚ）Ｖｑ
【０００６】
ここで、（１−Ｚ）の意味は、今の時間のデータと１回前の時間のデータとの差を求めるということであり、これは微分の定義と同じである。したがって、図６の回路の出力は、入力信号に量子化ノイズを微分した信号が加算されたものとなる。これを量子化ノイズの面から見ると、単に量子化ノイズが発生しているのではなく、微分という形に変わったノイズが発生していると考えることができる。このため、図６のような回路を、ノイズの形を変える回路、すなわちノイズシェーピング回路と呼ぶ。
【０００７】
この微分によるノイズシェーピング処理により、図６の回路は、ノイズの低域成分が減って、代わりに高域成分が増えるという特性を持つ。つまり前回のデータ値と今回のデータ値との変化量が少ないほど、出力に加わる量子化ノイズの大きさが小さくなり、この結果、出力データの精度が高くなったのと同様の効果が得られる。
【０００８】
これらの処理を複数サンプルにわたって適用することで、さらに高次のノイズシェーピングフィルタを実現することができる。こうしたフィルタ処理は、デジタル制御理論で一般的に用いられているＡＢＣＤ行列形式で表現することが可能である。特許文献１ではこのようなフィルタ処理を用いており、かつ、一連のフィルタ処理の中で発生する歪成分を、非線形処理を用いて補正している。
【０００９】
図５は特許文献１に開示されたパルス幅変調装置の構成図である。ノイズシェーピングフィルタ３は、入力信号と非線形関数テーブル３５の出力との誤差を計算して、その誤差成分に対して上述したようなノイズシェーピング演算を行い、量子化器１に出力する。量子化器１は、入力された例えば２４ビットの信号に対して、下位のビットを削除して例えば６ビットの信号として出力する。量子化器１の出力はパルス幅変換器（ＰＷＭ：Pulse Width Modulator）２で６４種類のパルス幅を持つ１ビットの信号に変換される。この出力パルスをフィルタで平滑化すると、幅の広いパルスでは高い電圧が得られ、幅の狭いパルスでは低い電圧が得られる。すなわち、入力信号に合わせた出力電圧が得られ、これをスピーカーに接続すれば音を聞くことができる。
【００１０】
図５の構成では、非線形関数テーブル３５には、量子化器１の出力と歪み補正のための非線形演算結果との対応関係が格納されており、量子化器１の出力ｙに応じた非線形要素ｅ（ｙ）を出力する。すなわち、一般的な帰還の代わりに、非線形要素ｅ（ｙ）を通して帰還をかけているところが特徴であり、これにより歪みの補正が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２３６９２８号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら上記の構成では、例えば動作電圧が変化したために非線形要素の特性を少しだけ変更したい場合に、非線形要素ｅ（ｙ）のテーブル全体を書き換える必要があり、かなり大きな変更が必要になってしまう。
【００１３】
また、非線形処理を変える場合には処理の安定性が問題になる場合があるので、動作確認に多大な労力が必要になることもある。
【００１４】
本発明は、かかる問題に鑑み、出力パルス信号の歪み補正特性の変更が容易であり、かつ、安定性の高いパルス幅変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様では、Ｎ（Ｎは２以上の整数）ビットの入力デジタル信号を、その信号値に応じたパルス幅を有するパルス信号に変調するパルス幅変調装置は、前記入力デジタル信号に対してノイズシェーピング処理を行うノイズシェーピングフィルタと、前記ノイズシェーピングフィルタの出力をＭ（ＭはＮより小さい整数）ビットのデジタル信号に変換する量子化器と、前記量子化器の出力を前記パルス信号に変換するパルス幅変換器と、前記量子化器の出力を受けて、前記パルス信号における非線形歪みを補正するための補正信号を出力する補正回路とを備え、前記ノイズシェーピングフィルタは、前記量子化器の出力と、前記補正回路の出力との両方を受けて、ノイズシェーピング処理を実行するように構成されている。
【００１６】
この態様によると、量子化器の出力を受けて、パルス信号における非線形歪みを補正するための補正信号を出力する補正回路が設けられている。そして、入力デジタル信号に対してノイズシェーピング処理を行うノイズシェーピングフィルタは、量子化器の出力と、補正回路の出力との両方を受けて、ノイズシェーピング処理を実行するように構成されている。このため、歪み補正のために非線形要素を通した帰還を実現する構成として、非線形要素の部分を、量子化器の出力をそのまま用いる線形部分と、補正のための非線形部分とに分割することができる。したがって、処理の自由度が高まり、非線形要素の特性の変更が容易になり、動作安定性も高くなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、非線形要素の部分が、量子化器の出力をそのまま用いる線形部分と、補正のための非線形部分とに分割されるため、非線形要素の特性の変更が容易になり、動作安定性も高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係るパルス幅変調装置のブロック図
【図２】図１におけるノイズシェーピングフィルタの構成例を示す図
【図３】実施形態２に係るパルス幅変調装置のブロック図
【図４】実施形態３に係るパルス幅変調装置のブロック図
【図５】従来のパルス幅変調装置のブロック図
【図６】基本的なノイズシェーピング回路を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（実施形態１）
図１は実施形態１に係るパルス幅変調装置のブロック図である。図１のパルス幅変調装置は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）ビットの入力デジタル信号ＤＳを、その信号値に応じたパルス幅を有するパルス信号ｗに変調するものであり、例えばフルデジタルアンプに用いられる。
【００２１】
図１において、１１は入力デジタル信号ＤＳに対してノイズシェーピング処理を行うノイズシェーピングフィルタ、１２はノイズシェーピングフィルタ１１の出力をＭ（ＭはＮより小さい整数）ビットのデジタル信号ｙに変換する量子化器、１３は量子化器１２の出力ｙをパルス信号ｗに変換するパルス幅変換器（ＰＷＭ：Pulse Width Modulator）、１４は量子化器１２の出力ｙを受けて、パルス幅変換器１３の出力ｗにおける非線形歪みを補正するための補正信号ｒを出力する補正回路である。
【００２２】
ここでは、Ｎ＝２４，Ｍ＝６とする。すなわち、量子化器１２は、ノイズシェーピングフィルタ１１の出力である２４ビットのデジタル信号を、６ビットすなわち６４階調に変換し、デジタル信号ｙとして出力する。パルス幅変換器１３は、入力された６４階調の信号ｙを、各階調に対応した６４種類のパルス幅を持つパルス信号ｗに変換して出力する。補正回路１４は非線形歪みを補正するための補正テーブルｒ（ｙ）を有しており、補正テーブルｒ（ｙ）では６ビットの量子化器１２の出力ｙと２４ビットの補正信号ｒとの対応関係が規定されている。この補正テーブルｒ（ｙ）は、従来の非線形要素テーブルｅ（ｙ）から、量子化器１２の出力ｙに相当する線形部分が減じて作成されている。
【００２３】
ノイズシェーピングフィルタ１１では、２４ビットの入力デジタル信号ＤＳと量子化器１２の６ビットの出力信号ｙとの差である量子化ノイズを元にしてフィルタ演算が行われる。これとともに、補正回路１４から出力された２４ビットの補正信号ｒを用いた演算を行うことによって、歪みの補正を行う。
【００２４】
ここで、ノイズシェーピングフィルタ１１は、補正回路１４の出力ｒによる補正特性を調整可能なように構成されている。図２はノイズシェーピングフィルタ１１の構成例である。図２の構成は、２次のノイズシェーピング処理と、歪み補正のための補正信号ｒの加算処理とが組み合わされた構成になっている。
【００２５】
ノイズシェーピングフィルタ１１の特性切換は、例えば次のように行われる。例えば、歪み補正を強めたい場合には、補正信号ｒの加算におけるアンプ１０１，１０２のゲインｂ１，ｂ２を大きくすればよい。これにより、より補正の効いたパルス信号ｗを得ることができる。また、歪み補正を行わないようにしたい場合には、アンプ１０１，１０２のゲインｂ１，ｂ２をゼロにすればよい。このようにして、ノイズシェーピングフィルタ１０１の補正特性を容易に切り替えることが可能になる。
【００２６】
以上のように本実施形態によると、出力パルス信号ｗにおける非線形歪みを補正する構成において、補正のための非線形要素を、量子化器の出力をそのまま使用する線形部分と、補正のための非線形部分とに分割している。これにより、処理の自由度を増やすことができ、特性切換が容易になる。
【００２７】
（実施形態２）
図３は実施形態２に係るパルス幅変調装置のブロック図である。図３において、ノイズシェーピングフィルタ２１、量子化器２２、パルス幅変換器２３および補正回路２４の構成および動作は、それぞれ、図１におけるノイズシェーピングフィルタ１１、量子化器１２、パルス幅変換器１３および補正回路１４とほぼ同様である。ただし、処理する信号のビット数や階調数が若干異なっている。また、量子化器２２とパルス幅変換器２３との間に、量子化器２２の出力ｙの階調数を制限して出力するリミッタ２５が設けられている。パルス幅変換器２３は、量子化器２２の出力ｙではなく、リミッタ２５の出力ｙ１を受ける。
【００２８】
図３の構成では、量子化器２２は図１の量子化器１２とは階調数が異なっており、例えば、１０階調多い７４階調の７ビットのデジタル信号ｙを出力する。リミッタ２５は、デジタル信号ｙの階調数を例えば６０階調に制限してパルス幅変換器２３に出力する。パルス幅変換器２３は、入力された６０階調の信号ｙ１を、各階調に対応した６０種類のパルス幅を持つパルス信号ｗに変換して出力する。補正回路２４は、実施形態１よりも諧調数が多い７４階調の信号ｙに関する補正テーブルｒ（ｙ）を参照して、ノイズシェーピングフィルタ２１に補正信号ｒを出力する。
【００２９】
ノイズシェーピングフィルタ２１では、２４ビットの入力デジタル信号ＤＳと量子化器２２の７ビットの出力信号ｙとの差である量子化ノイズを元にしてフィルタ演算が行われる。これとともに、補正回路２４から出力された２４ビットの補正信号ｒを用いた演算を行うことによって、歪みの補正を行う。ノイズシェーピングフィルタ２１は、例えば図２のように構成される。
【００３０】
このように量子化器２２の諧調数を大きく設定することによって、入力デジタル信号ＤＳが最大振幅を持つ場合であっても、量子化器２２の出力ｙに余裕があるため飽和しなくなり、線形帰還の部分が安定に動作する。これに併せて、補正回路２４からの非線形補正を追加することができるので、安定性を損なうことなく補正を行うことができる。
【００３１】
そして、デジタルパワーアンプでは一般に、ＰＷＭ信号には最短パルス幅の制約が存在する。このため、本実施形態のパルス幅変調装置をデジタルパワーアンプに使用した場合、この制約を満足するようにリミッタ２５で諧調数に制限を加えることによって、電源利用効率を改善することが可能となる。
【００３２】
（実施形態３）
図４は実施形態３に係るパルス幅変調装置のブロック図である。図４の構成は、図３とほぼ同様であり、ノイズシェーピングフィルタ２１、量子化器２２、パルス幅変換器２３およびリミッタ２５の構成および動作は実施形態２と同様である。
【００３３】
ただし、補正回路３４は、量子化器２２の出力ｙではなく、リミッタ２５の出力ｙ１を受ける。すなわち、補正回路３４は、量子化器２２の出力ｙよりも階調数が少ないリミッタ２５の出力ｙ１に関する補正テーブルｒ（ｙ１）を参照して、ノイズシェーピングフィルタ２１に補正信号ｒを出力する。諧調数が少ない信号ｙ１を入力として用いることによって、補正テーブルｒ（ｙ１）のサイズが小さくなるので、回路規模を削減することができる。
【００３４】
なお、実施形態２と対比すると、リミッタ２５によって制限された諧調部分に対しては、必ずしも適切ではない補正信号ｒがノイズシェーピングフィルタ２１に帰還されることになる。ただし、この階調部分はリミッタ２５により制限を受けた、もともと不正規の状態になっているので、少々異なったＰＷＭ信号が出力されたとしても、音質の面では特に問題とはならないといえる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のパルス幅変調装置は、例えばデジタルオーディオパワーアンプに用いることで、高音質高効率のオーディオ再生を行うことができる。
【符号の説明】
【００３６】
１１，２１  ノイズシェーピングフィルタ
１２，２２  量子化器
１３，２３  パルス幅変換器
１４，２４，３４  補正回路
２５  リミッタ
ＤＳ  入力デジタル信号
ｒ  補正信号
ｙ  量子化器の出力
ｙ１  リミッタの出力
Ｗ  パルス信号
【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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【図６】
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