JP2001515230A - コード化音声信号のスパースネス低減法 - Google Patents
コード化音声信号のスパースネス低減法Info
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Abstract
Description
.Provisional Application No.06/057,7
52の米国特許法第 119条(e)(l)に基づいて優先権を主張するもので
あり、1998年3月4日付け出願の同時係属出願U.S.Serial No
.09/034,590(docket 34645−405)の一部継続出願
である。
けるスパースネス(sparseness)の問題に関するものである。
ラ通信システムなどの無線通信システムの重要な役割を果たしている。現在から
将来にわたってこの種のシステムに必要な大容量を達成するために、音声信号の
効率的圧縮および音声信号の高品質化が必須条件である。これに関連して、例え
ば音声コーダのビットレートを下げて他の通信信号のために通信チャネル容量を
追加する場合、不愉快なアーチファクトを導入せずに音声品質を優雅に低下させ
ること(graceful degradation)が望ましい。
AMPS EFR)およびITU規格G.729に記載されている。上記規格で
指定されるコーダは構造的に類似しており、一般に両者共に比較的疎らな(sp
arse)出力を生成する代数的コードブック(algebraic code
book)を含んでいる。一般に、与えられたコードブックエントリのサンプル
のわずか数個だけに非ゼロサンプル値が含まれるような状況を、スパースネス(
sparseness)と呼んでいる。特に、音声の圧縮を実行しようとして代
数的コードブックのビットレートを低減するとき、このスパースネス状態がよく
現れる。まず第1に非ゼロサンプルが僅かしかコードブックに含まれていないと
いうこと、そして低ビットレートなのでさらに少ないコードブックサンプルの使
用を要するということ、の結果として生ずるスパースネスは、前述のような従来
の音声コーダによるコード化音声信号においては、容易に感知し得る劣化となる
。
述のコード化音声信号の劣化を避けることが望ましい。
るいはデジタル信号のスパースネスが障害になる場合にスパースネスを低減する
アンチスパースネスオペレータ(anti−sparseness opera
tor)を提供する。
スパースネスオペレータASOは、発信源11から送信される疎らなデジタル信
号を入力Aで受信する。アンチスパースネスオペレータASOは疎らな信号Aを
処理して、入力信号Aより密なデジタル信号Bを出力に供給する。
e Excited Linear Predictive)音声エンコーダ、
または無線通信システムの受信機に設けられたCELP音声デコーダにおいて、
図1のアンチスパースネスオペレータASOを適用する場合に可能な様々な位置
の例を示す。図2で示されるように、固定(例えば代数的)コードブック21の
出力と複数位置201〜206のいずれか、あるいはその両方にアンチスパース
ネスオペレータASOを設けることができる。図2で示される各位置に設けた場
合、図1のアンチスパースネスオペレータASOはその入力Aで疎らな信号を受
信して、その出力Bから比較的密な信号を出力する。このように、図2に示され
るCELP音声エンコーダ/デコーダ構造には、図1の疎らな信号源に関するい
くつかの例が含まれる。
応型コードブックへの従来のフィードバック経路を示す。アンチスパースネスオ
ペレータASOが図2に示される位置や、他の位置201〜204のいずれかに
設けられると、加算回路210の出力でデコーダによって再構成されたコード化
励振信号がアンチスパースネスオペレータから影響を受けることがある。アンチ
スパースネスオペレータが位置205や206に設けられた場合には、加算回路
210から出力されるコード化励振信号に対する影響はない。
を適応型コードブック23に供給する加算回路25を更に含むCELPデコーダ
を例示する。アンチスパースネスオペレータASOが図2Bに示される位置や、
位置220、240に設けられる場合、適応型コードブック23へのフィードバ
ック信号はアンチスパースネスオペレータの影響を受けない。
)と、図2のCELPエンコーダ構造の送信機(XMTR)を含むトランシーバ
ーを例示する。図2Aは、送信機が入力として音響信号を受信して、出力として
再構成情報を通信チャンネルに供給し、その再構成情報から受信機が音響信号を
再構成するところを示している。受信機は通信チャンネルから入力される再構成
情報を受信し、出力として再構成された音響信号を供給する。図のトランシーバ
ーと通信チャンネルは例えば、それぞれセルラ電話のトランシーバーとセルラ電
話網の空気インタフェースである。
おいて、Aで受信される疎らな信号に雑音性の信号m(n)が付加される。図4
は、どのようにして信号m(n)が生成されるかを例示する。雑音性の信号m(
n)は、ガウス分布N(0、1)を持つ雑音信号を適当な高域通過スペクトルカ
ラーフィルタにかけることによって生成される。
持つ加算回路31に供給することができる。図3の利得係数は固定利得係数とす
ることができる。図3の利得係数はまた、適応型コードブック23(または、周
期性の量に関する同様のパラメータ)の出力に適用される従来通りの利得の関数
であってもよい。一例をあげると、図3の利得は適応型コードブック利得が所定
の閾値を超えた時に0になり、適応型コードブック利得が閾値から減少するにし
たがって直線的に増加する。図3の利得はまた、図2の固定コードブック21の
出力に適用される従来と同様の利得の関数とすることができる。また、図3の利
得は、従来の検索方法で使用される目標信号に対する信号m(n)のパワースペ
クトルマッチングに基づいたものであって、利得をコード化した後に受信機に伝
送してもよい。
ズ性の信号を付加することができる。
の信号源11からの受信デジタル信号のスパースネスを減少させるようにアンチ
スパースネスフィルタが設計されたことである。
のアンチスパースネスフィルタは、固定(例えば代数的)コードブック21から
受信されるコード化信号のたたみ込みを、全域通過フィルタ(all−pass filter)に関連するインパルス応答(65での)によって実行するコン
ボルバ部63を有する。図6のアンチスパースネスフィルタの動作が図7〜11
に示されている。
ードブック21からのエントリ例を示す。このスパースネス特性は、非ゼロサン
プルの数(密度)が増加すれば、減少するであろう。非ゼロサンプルの数を増加
させる1つの方法は、40個のサンプルからなるブロック全体にエネルギを分散
するための適切な特性を備えたフィルタに図10のコードブックエントリを適用
することである。図7および図8は、図10のコードブックエントリにおける4
0個のサンプル全体に適切なエネルギ分散を行うための全域通過フィルタの振幅
および位相(ラジアン単位)特性をそれぞれ示す。図7および図8のフィルタは
2〜4kHzの高周波領域で位相スペクトルを変更するが、2kHzより低い周
波数領域での変更は極くわずかだけである。図7および図8のフィルタによる振
幅スペクトルの実質的な変更は行われない。
のグラフ表示である。図6のアンチスパースネスフィルタは、図10のサンプル
ブロックに対する図9のインパルス応答のたたみ込みを生成する。コードブック
エントリはコードブックから40個のサンプルブロックとして供給されるので、
たたみ込み動作はブロック単位で実行される。このたたみ込み動作において、図
10の各サンプルから40の中間乗算結果が得られる。例えば図10に示す位置
7でのサンプルを例にとると、最初の34の乗算結果が図11の結果ブロックの
位置7〜40に割り当てられ、残りの6つの乗算結果は円形たたみ込み(cir
cular convolution)動作に従って「包み込み」(wrappe
d around)され、位置1〜6に割り当てられる。同様に、図10の残り
の各サンプルから生成される40の中間乗算結果は、図11に示す結果ブロック
の位置に割り当てられ、もちろんサンプル1の包み込みは必要としない。図11
の結果ブロックの各位置に関しては、それに割り当てられる40の中間乗算結果
(図10の各サンプルについて1つの乗算結果)が合算され、その総和がその位
置に対するたたみ込み結果を表す。
ルギがブロック全体に分散されるように図10のブロックのフーリエスペクトル
を変更し、その結果、ブロック内の非ゼロサンプルの数(または、密度)が劇的
に増加し、それに応じてスパースネス量が減少する。ブロックごとに実行される
円形たたみ込みの影響は、図2の合成フィルタ211によって取り除かれる。
タの一動作例を示す。図12および図13の全域通過フィルタは3kHzより下
では実質的に位相スペクトルを変更せず、3〜4kHzの位相スペクトルを変更
する。フィルタのインパルス応答は図14で示すとおりである。図10と同じサ
ンプルブロックが図15に示されていることと、図16の結果ブロックから明ら
かなように、図12〜図16に示されるアンチスパースネス動作では、図11で
示される場合と比較して十分にエネルギが分散されない。したがって、図12〜
図16では、フィルタが図7〜図11で定義されたアンチスパースネスフィルタ
と比較してコードブックエントリ修正の少ないアンチスパースネスフィルタを定
義する。従って、図7〜図11と、図12〜図16のフィルタはそれぞれ異なっ
たレベルのアンチスパースネスフィルタリングを定義する。
力される)の適応コードブック成分が比較的小さいことを示しており、その結果
、固定(例えば代数的)コードブック21が比較的大きく寄与する可能性がある
。前述の固定コードブックエントリのスパースネスに起因して、図7〜図11の
フィルタの方が図12〜図16のフィルタよりも大きいサンプルブロック変更を
伴うので、図12〜図16のアンチスパースネスフィルタよりも、図7〜図11
のアンチスパースネスフィルタを選択する方が有利である。適応コードブック利
得の値が大きい場合、固定コードブックの寄与が比較的少ないので、アンチスパ
ースネス修正の比較的少ない図12〜図16のフィルタを使用することができる
。
のセグメントに関連するスパースネス特性を修正するか否か、あるいは修正程度
を決定する機能を提供する。
み込みにすれば、ブロック単位処理の影響を回避できるので、より円滑な動作が
得られる。上記例でブロック単位処理について記述されたが、ブロック単位処理
は例示された従来のCELP音声エンコーダ/デコーダ構造の特質であり、本発
明の実施に必要なものではない。
の間にエンコーダにおいてアンチスパースネス修正が考慮される。これには複雑
さの増加が伴うが、それに見合う性能改善が得られる。アンチスパースネスフィ
ルタを定義するマトリクスと、検索フィルタの従来のインパルス応答から構成さ
れたフィルタリングマトリクスとを掛け合わせることによって、(円形または線
形)たたみ込み動作を実行することができる(線形または円形たたみ込みを使用
する)。
。図17の例では、図5に示されるタイプのアンチスパースネスフィルタが入力
信号Aを受信し、170においてアンチスパースネスフィルタの出力に利得係数
g2が掛けられる。図3および図4からのノイズ性の信号m(n)には、172 において利得係数g1が掛けられ、g1乗算器170およびg2乗算器の172の 出力が174で加算されて、出力信号Bが生成される。利得係数g1とg2は例え
ば、下記のように決定される。最初に、図3の利得に関する上述の方法の1つに
よって利得g1が決定され、次に、利得係数g1の関数として利得係数g2が決定 される。例えば、利得係数g2と利得係数g1は互いに反比例する。あるいは、利
得係数g2を図3の利得と同じ方法で決定し、次に、互いに反比例するように利 得係数g1を利得係数g2の関数として決定することも可能である。
使用される。利得係数はg2=1とする。エネルギーレベルが固定コードブック エントリに等しくなるように、図4のガウスノイズ分布N(0、1)を正規化し
、図4のハイパスフィルタのカットオフ周波数を200Hzに設定することによ
って、m(n)が得られる。利得係数g1は固定コードブック利得の80%であ る。
おいて、コード化音声信号のスパースネスレベルが推定される。これはオフライ
ン時、あるいは音声処理期間に適応的に実行することができる。例えば、代数的
コードブックやマルチパルスコードブックでは、サンプルは互いに近接または離
れ、スパースネスに変動が起こり得るが、正規パルスコードブックでは、サンプ
ル間距離が固定されているので、スパースネスは一定である。183において、
アンチスパースネス修正の適切レベルが決定される。このステップもまた、オフ
ライン時、あるいは音声処理期間に適応的に実行することができる。アンチスパ
ースネスレベルを適応的に決定する別の例として、ブロックごとにインパルス応
答(図6、図9、図14参照)を変えることができる。185において、選択さ
れたアンチスパースネス修正レベルが信号に適用される。
切にプログラムされたデジタル信号プロセッサや他のデータプロセッサを使用す
るか、あるいは、適切にプログラムされたデジタル信号プロセッサや他のデータ
プロセッサに接続された付加的外部回路との組み合わせによって容易に実現する
ことができる。
のではなく、さまざまな形態で実施することが可能である。
)エンコーダ/デコーダにおいて図1のアンチスパースネスオペレータを適用し
得るさまざまな位置を示す。
示す図。
Excited Linear Predictive)デコーダを示す図。
体化する方法を示すブロック図。
り低いアンチスパースネス動作レベルで使用されるときの動作を示すグラフ。
り低いアンチスパースネス動作レベルで使用されるときの動作を示すグラフ。
り低いアンチスパースネス動作レベルで使用されるときの動作を示すグラフ。
り低いアンチスパースネス動作レベルで使用されるときの動作を示すグラフ。
り低いアンチスパースネス動作レベルで使用されるときの動作を示すグラフ。
Claims (28)
- 【請求項1】 第1サンプル値シーケンスを含む入力デジタル信号のスパー
スネス(sparseness)を低減する装置であって、 入力デジタル信号を受信する入力と、 前記入力に接続され、入力デジタル信号に応答して、第1サンプル値シーケン
スより非ゼロサンプル値密度が高い新たなサンプル値シーケンスを含む出力デジ
タル信号を生成するアンチスパースネスオペレータ(anti−sparsen
ess operator)と、 前記アンチスパースネスオペレータに結合された出力であって、該アンチスパ
ースネスオペレータから前記出力デジタル信号を受信する該出力と、を有する前
記装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の装置であって、入力デジタル信号にノイズ性 の信号を付加するための回路を、前記アンチスパースネスオペレータに設けた前
記装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の装置であって、入力デジタル信号をフィルタ 処理するために前記入力に接続されたフィルタを、前記アンチスパースネスオペ
レータに設けた前記装置。 - 【請求項4】 請求項3記載の装置であって、前記フィルタを全域通過フィ
ルタとした前記装置。 - 【請求項5】 請求項3記載の装置であって、前記第1サンプル値シーケン
スに含まれるそれぞれのサンプル値ブロックをフィルタ処理するために、前記フ
ィルタにおいて円形たたみ込みまたは線形たたみ込みを使用する前記装置。 - 【請求項6】 請求項3記載の装置であって、前記入力デジタル信号の位相
スペクトルを前記フィルタによって修正し、振幅スペクトルを実質的に無修正と
する前記装置。 - 【請求項7】 請求項1記載の装置であって、前記入力と前記出力の間にフ
ィルタを備えた信号路と、前記信号路にそって伝送される信号にノイズ性の信号
を付加するための回路とを、前記アンチスパースネスオペレータに設けた前記装
置。 - 【請求項8】 請求項7記載の装置であって、前記フィルタを全域通過フィ
ルタとする前記装置。 - 【請求項9】 請求項7記載の装置であって、前記第1サンプル値シーケン
スに含まれるそれぞれのサンプル値ブロックをフィルタ処理するために、前記フ
ィルタにおいて円形たたみ込みまたは線形たたみ込みを使用する前記装置。 - 【請求項10】 請求項7記載の装置であって、前記入力デジタル信号の位
相スペクトルを前記フィルタによって修正し、振幅スペクトルを実質的に無修正
とする前記装置。 - 【請求項11】 音響信号情報を処理するための装置であって、 音響信号情報を受信するための入力と、 前記入力に接続され、前記情報に応答して、第1サンプル値シーケンスを含む
デジタル信号を生成するコーディング装置と、 前記コーディング装置に接続され、前記デジタル信号に応答して、第1サンプ
ル値シーケンスより非ゼロサンプル値密度が高い第2サンプル値シーケンスを含
む出力デジタル信号を生成するアンチスパースネスオペレータと、を有する前記
装置。 - 【請求項12】 請求項11記載の装置であって、複数のコードブックと、
加算回路と、合成フィルタとを前記コーディング装置に設け、前記コードブック
の各出力を前記加算回路の各入力に接続し、前記加算回路の出力を前記合成フィ
ルタの入力に接続した前記装置。 - 【請求項13】 請求項12記載の装置であって、前記コードブック出力の
うちの1つを前記アンチスパースネスオペレータの入力に接続した前記装置。 - 【請求項14】 請求項12記載の装置であって、前記加算回路の前記出力
を前記アンチスパースネスオペレータの入力に接続した前記装置。 - 【請求項15】 請求項12記載の装置であって、前記合成フィルタの出力
を前記アンチスパースネスオペレータの入力に接続した前記装置。 - 【請求項16】 請求項12記載の装置であって、前記コーディング装置
をエンコーディング装置とし、前記音響信号情報に音響信号が含まれる前記装置
。 - 【請求項17】 請求項12記載の装置であって、前記コーディング装置
をデコーディング装置とし、音響信号を構成するための情報が前記音響信号情報
に含まれる前記装置。 - 【請求項18】 第1サンプル値シーケンスを含む入力デジタル信号のスパ
ースネスを低減するための方法であって、 入力デジタル信号を受信するステップと、 前記入力デジタル信号に応答して、前記第1サンプル値シーケンスより非ゼロ
サンプル値密度が高い第2サンプル値シーケンスを含む出力デジタル信号を生成 するステップと、 前記出力デジタル信号を出力するステップと、を含む前記方法。 - 【請求項19】 請求項18記載の方法であって、前記生成ステップが入力
デジタル信号のフィルタ処理ステップを含む前記方法。 - 【請求項20】 請求項19記載の方法であって、前記フィルタ処理ステッ
プにおいて全域通過フィルタを使用する前記方法。 - 【請求項21】 請求項19記載の方法であって、前記第1サンプル値シー
ケンスに含まれるそれぞれのサンプル値ブロックをフィルタ処理するために、前
記フィルタ処理ステップにおいて円形たたみ込みまたは線形たたみ込みを使用す
る前記方法。 - 【請求項22】 請求項19記載の方法であって、前記フィルタ処理ステッ
プにおいて前記入力デジタル信号の位相スペクトルを修正し、振幅スペクトルは
実質的に無修正とする前記方法。 - 【請求項23】 請求項18記載の方法であって、前記生成ステップにおい
てフィルタ処理を行うことによってフィルタ処理済み信号を生成し、前記第1信 号またはフィルタ処理済み信号にノイズ性の信号を付加する前記方法。 - 【請求項24】 請求項23記載の方法であって、前記フィルタ処理ステッ
プにおいて全域通過フィルタを使用する前記方法。 - 【請求項25】 請求項23記載の方法であって、前記第1サンプル値シー
ケンスに含まれるそれぞれのサンプル値ブロックをフィルタ処理するために、前
記フィルタ処理ステップにおいて円形たたみ込みまたは線形たたみ込みを使用す
る前記方法。 - 【請求項26】 請求項23記載の方法であって、前記フィルタ処理ステッ
プにおいて前記入力デジタル信号の位相スペクトルを修正し、振幅スペクトルは
実質的に無修正とする前記方法。 - 【請求項27】 請求項18記載の方法であって、前記生成ステップにおい
て入力デジタル信号にノイズ性の信号を付加する前記方法。 - 【請求項28】 音響信号情報を処理するための方法であって、 音響信号情報を受信するステップと、 前記情報に対する応答として、第1サンプル値シーケンスを含むデジタル信号
を生成するステップと、 前記デジタル信号に対する応答として、第1サンプル値シーケンスより非ゼロ
サンプル値密度が高い新たなサンプル値シーケンスを含む出力デジタル信号を生
成するステップと、を含む前記方法。
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