固定小数点演算信号処理の極意シリーズ （その１） 意義は？

本日は清々しい五月晴れにもかかわらず------すがすがしいのスガって何だろうなぁ？-----、気分はとてもブルーなわたしです．目黒のegobarの１５周年記念パーティーで今朝まで飲んでいたので二日酔いでグッタリしています．そろそろ復活してきたのでブログを書くことにしよう．

さて、なんでもシリーズ化してしまう当ブログですが、固定小数点演算による信号処理をシリーズ化しちゃおうかな．電気の知識とverilogを知らない人にはチンプンカンプンでしょうから、前もってスミマセンです．

ちなみに、職業訓練住宅リフォームシリーズは未完なんです．エアコンの取付という興味深いことも習ったので、それを書かなくちゃいけないと思っています．わたしは、座学全般いわゆる習い事が退屈な人なので、小中高大と学校ってつまんねーと思って生活してきました．図工だけは燃えました．国語・体育・音楽は大嫌いでした．しかし、職業訓練は生まれて初めて楽しいと思いました．溶接を習いたかったなー．

話を固定小数点演算に戻します．

固定小数点演算信号処理についてverilog codeをごちゃごちゃ説明する前に、その存在意義とか効用を説明します．

Ｑ： 信号処理とは？

Ａ： デジタル信号処理が正式名称です．フィルタとか変調復調とかのようなかつてはアナログ回路で実現されていた機能を、デジタル回路でやっちゃおうということです．デジタル信号処理で実現すると、性能が１０倍になって、大きさが１／１０になって、価格が１／１０になって、製品不良が１／１０になります．

Ｑ： 信号処理の効用は？

Ａ１： 無線機のSSB変復調回路ですと、DBM(diode balanced mixer)でキャリアと信号をかけ算しますが、このかけ算回路が数式通りに動いてくれるわけがありませんで、offset、非直線性、gain誤差などを含んでます．すると、直流電圧が漏れてくる、キャリアが漏れてくる、スプリアスが漏れてくるなどの余計な信号まみれの汚い信号になってしまいます．
そういう汚い信号を強制的に綺麗にするために、フィルタを入れます．このフィルタがLCRで作った程度の安価なフィルタでは役に立たず、水晶をつかった高価で大型サイズのフィルタを使うしかなかったのがアナログ時代でした．
これをデジタル信号処理回路で実現すると、かけ算回路が理想的な数値処理になるので、キャリアやスプリアスが出てきません．外付け回路はDACとLCRフィルタだけで済みます．安価で小型で安定で不良も少なくなります．いまはもう昔ながらのXtal filterを使ったSSB回路は姿を消しました．

Ａ２： デジタルオーディオですと、44.1kHzでサンプルされた信号を扱います．DACとアナログフィルタで音声に変換するのですが、フィルタの設計がかったるいことになります．fs=44.1kHzですから、22.05kHzが理論上限で、20kHzの音声帯域を確保するように設計します．したがってフィルタには20kHzまでフラットで22.05kHzで-80dBぐらいまで落とす急峻なフィルタが求められますが、そんな高性能なフィルタを設計するのはとても難しいです．
これをデジタル信号処理で一工夫してサンプルレートを10倍の441kHzに変換します．するとフィルタの要求仕様が、20kHzまでフラットで220.5kHzで-80dBまで落とせばOKという風に劇的に楽になります．いい加減な設計のフィルタで済ませられます．安価で小型で安定で不良も少なくなります．

Ｑ： 消費電力は増えるんじゃないの？

Ａ： 半導体製造プロセスが進歩したので、もはやこの懸念は杞憂と言える時代になったと思います．

Ｑ： 上手に作られたアナログ回路の方が性能が良いのではないか？

Ａ： 中にはそういう回路もあるとおもいます．

Ｑ： ならばアナログ回路で努力しろ！

Ａ： それがそうはいきません．アナログ回路には製造不良と市場不良がつきまとうからです．量産工場では、たかが１０００台に１台の不良で関係各部署がてんやわんやしてしまいます．アナログ回路ですとその宿命から逃れられません．
なぜか？ アナログ回路は、すげえ高性能にできた上澄みが１０％、フツーが８０％、出来の悪いのが１０％のように性能が分布してしまいます．下位１０％をスクリーニングする手間がかかります．せっかくスクリーニングしたのに、使用温度が高いと性能が劣化したりします．電気製品が夏に故障しやすいのはそんな理由です．
ところがデジタル回路ですと、フツーが１００％になります．性能が分布しません．だから、量産が楽で、市場不良もなくなります．すげえ高性能な上位１０％が姿を消してしまうことを悲しむよりも、全部がフツーでバシッと決まる予測可能性を尊ぶのが量産する人々の気持ちです．

ではまた次回．       つぎへ


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