JP2003177797A - ディジタル信号符号化装置およびそれを備えたディジタル信号記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 経時変化の少ない信号の入力時に入力された
瞬間的に経時変化の大きい信号を符号化する際に、知覚
可能な音質劣化を軽減する。 【解決手段】 パワー算出部５２ａで、変換されたスペ
クトル（ＭＤＣＴ係数）を複数の周波数領域に分割し、
そのスペクトルに基づいてスペクトルパワーをそれぞれ
の帯域毎に算出する。ＳＮＲ算出部５２ｂで信号対雑音
比を算出し、１次量子化ビット数算出部５２ｃで、所望
のビットレートと信号対雑音比とに基づいて量子化ビッ
ト数ｎを算出する。量子化ノイズ算出部５２ｄで、現フ
レームにおいて、算出されたｎより量子化雑音パワーを
確定する。２次量子化ビット数算出部５２ｅで、その現
フレームの量子化雑音パワーと、量子化ノイズ保存部５
２ｆに保存された前フレームの量子化雑音パワーとの差
分の絶対値を求め、それが所定値より小さくなるように
周波数帯域の個数を修正し、それに基づいてｎを修正す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミニディスクなど
の記録媒体に音楽や音声等のディジタル信号を記録する
際に、これらの記録対象に適応して各周波数帯域のスペ
クトルに対するビット割り当てを行ってデータ量を圧縮
するディジタル信号符号化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】音楽や音声等のディジタル信号を高能率
で圧縮符号化する従来の方法として、ミニディスクで用
いられているＡＴＲＡＣ(Adaptive Transform Acoustic
Coding)が挙げられる。このＡＴＲＡＣでは、高能率で
圧縮するために、ディジタル信号を複数の周波数帯域
（サブバンド）に分割した後、可変長の時間単位で符号
化ユニットにブロック化してＭＤＣＴ（Modified Discr
ete Cosine Transform）処理を施し、スペクトル信号に
変換し、さらに聴覚心理特性を利用して割り当てられた
ビット数で各スペクトル信号をそれぞれ符号化する。

【０００３】上記の圧縮符号化に適応することができる
聴覚心理特性には、等ラウドネス特性やマスキング効果
が挙げられる。等ラウドネス特性は、同じ音圧レベルの
音であっても、人間が感じ取る音の大きさが周波数によ
って変化することを表す。従って、等ラウドネス特性
は、人間が感じ取ることができる音の大きさである最小
可聴限が周波数によって変化することを表している。

【０００４】一方、マスキング効果には、同時マスキン
グと経時マスキングとがある。同時マスキングは、複数
の周波数成分の音が同時に発生しているときに、ある音
が別の音を聞き取り難くさせる現象である。経時マスキ
ングは、大きな音の時間軸方向の前後でマスキングを受
ける現象である。

【０００５】また、ビット割り当ての方法は、上記の聴
覚心理特性を利用して、要求される音質レベルと使用で
きるハードウェア能力とのバランスを考慮したアルゴリ
ズムを採用する必要がある。

【０００６】例えば、反復法と呼ばれるビット割り当て
法では、入力ディジタル信号に適応したビット割り当て
が以下のようにして行われている。まず、各周波数帯域
のパワーＳを求め、そのパワーＳによる他の周波数帯域
に対するマスキングしきい値Ｍを求める。次に、このマ
スキングしきい値Ｍと、各周波数帯域をｎビットで量子
化したときの量子化雑音パワーＮ（ｎ）とから、マスキ
ングしきい値対雑音比ＭＮＲ（ｎ）＝Ｍ／Ｎ（ｎ）を求
める。続いて、そのマスキングしきい値対雑音比ＭＮＲ
（ｎ）が最小となる周波数帯域にビット割り当てを行っ
た後、そのマスキングしきい値対雑音比ＭＮＲ（ｎ）を
更新し、再び最小の周波数帯域にビット割り当てを行
う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】経時変化の小さい信号
の入力時に、瞬間的に経時変化の大きい信号が入力され
ると、同一周波数の量子化誤差が隣接するフレーム間で
変動し、それが異音として知覚されることがある。特
に、自身がマスキング効果の影響を受けないピーク周波
数の量子化誤差が変動した場合に異音として知覚され
る。

【０００８】上記のような異なるタイプの信号に対して
は、エネルギー分布に応じたビットの配分が必要となる
ため、これが適切に行われないと上記のような異音が生
じる。

【０００９】また、前述の反復法は、１フレーム（圧縮
処理単位時間）内でビット割り当てを行うので、そのフ
レーム内では最適な量子化ビット数を算出することがで
きるものの、前後のフレームの信号変化を的確にビット
割り当てに反映させることができない。特に、固定ビッ
トレートで圧縮を行う場合、隣接するフレームで信号エ
ネルギー成分が異なれば、同一周波数で量子化誤差の揺
らぎ（変動が）発生してしまう。

【００１０】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、経時変化の小さい信号の入力時に入力され
た瞬間的に経時変化の大きい信号を符号化する際に、知
覚可能な音質劣化を軽減するディジタル信号符号化装置
を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のディジタル信号
符号化装置は、ディジタル信号を所定の複数の周波数帯
域毎にスペクトルデータに変換し、各周波数帯域のスペ
クトルデータをそれぞれに応じて与えられたビット割当
量で符号化するディジタル信号符号化装置において、上
記の課題を解決するために、時間的に連続する各フレー
ムのビット割当量を前記周波数帯域毎に算出するビット
割当量算出手段と、このビット割当量算出手段によって
算出されたビット割当量の量子化誤差を算出する第１量
子化誤差算出手段と、前記ビット割当量算出手段によっ
て算出された、現フレームの１つ前の前フレームのビッ
ト割当量を基に、現フレームのビット割当量を修正する
ビット割当量修正手段と、前記ビット割当量修正手段に
よって得られた最終のビット割当量の量子化誤差を算出
する第２量子化誤差算出手段とを備え、上記ビット割当
量修正手段が、前記第１量子化誤差算出手段で算出され
た現フレームのビット割当量と前記第２量子化誤差算出
手段で算出された前フレームのビット割当量との量子化
誤差の差分を所定値より小さくなるように修正すること
を特徴としている。

【００１２】上記の構成では、あるフレームのビット割
当量が、ビット割当量算出手段によって算出されると、
そのビット割当量の量子化誤差が、第１量子化誤差算出
手段によって算出される。また、そのフレームに続くフ
レームのビット割当量の量子化誤差も同様にして算出さ
れる。これらの続く２つのフレームをそれぞれ前フレー
ムと現フレームとして、ビット割当量修正手段によっ
て、現フレームのビット割当量が前フレームのビット割
当量を基に修正される。この結果、最終のビット割当量
が得られる。そして、このビット割当量の量子化誤差
が、第２量子化誤差算出手段によって算出される。

【００１３】ビット割当量修正手段による修正時には、
現フレームのビット割当量の量子化誤差と、第２量子化
誤差算出手段で算出された前フレームとのビット割当量
の量子化誤差との差分が所定値より小さくなるように修
正される。これにより、経時変化の小さい信号の入力時
に入力された瞬間的に経時変化の大きい信号を符号化す
るような場合でも、隣接するフレーム間での同一周波数
の量子化誤差の変動が抑制される。

【００１４】上記のディジタル信号符号化装置は、前記
スペクトルデータのパワー、エネルギーまたはスケール
ファクタの最大値を抽出する最大値抽出手段を備え、前
記ビット割当量修正手段が、抽出された前記最大値が属
する周波数帯域で前記差分を修正することが好ましい。
このような構成では、スペクトルデータの上記の最大値
が、最大値抽出手段によって抽出されると、その最大値
でビット割当量修正手段による上記のビット割当量の修
正が行われる。これにより、ピーク周波数の量子化誤差
の変動が抑制される。

【００１５】ここで、スペクトルデータのパワー、エネ
ルギーまたはスケールファクタの最大値が属する周波数
帯域の周波数をピーク周波数と称する。このピーク周波
数は、最小可聴限以上の信号レベルではマスキングされ
ずに可聴周波数となるので、量子化誤差の揺らぎ（変
動）が発生すると、最も異音として知覚されやすい周波
数である。それゆえ、上記のようにピーク周波数の量子
化誤差の変動を抑制することによって、マスキングしき
い値対雑音非を用いたビット割当法、信号対雑音比を用
いたビット割当法およびマスキングしきい値対雑音比と
信号対雑音比とを併用するビット割当法のいずれにも、
従来のビット割当法を用いた場合と比較して、同一周波
数の量子化誤差の変動が抑制される。

【００１６】本発明の他のディジタル信号符号化装置
は、ディジタル信号を所定の複数の周波数帯域毎にスペ
クトルデータに変換し、各周波数帯域スペクトルの大き
さから、想定した各ビット数に対して各周波数帯域のマ
スキングしきい値対雑音比を求め、前記ビット数毎に前
記マスキングしきい値対雑音比が最小となる周波数帯域
から順に与えられたビット割当量で前記スペクトルデー
タを符号化するディジタル信号符号化装置において、上
記の課題を解決するために、時間的に連続する各フレー
ムのビット割当量を前記周波数帯域毎に算出するビット
割当量算出手段と、このビット割当量算出手段によって
算出されたビット割当量の量子化誤差を算出する第１量
子化誤差算出手段と、前記量子化誤差を非マスキング周
波数帯域について抽出する非マスキング周波数帯域抽出
手段と、前記ビット割当量算出手段によって算出され
た、現フレームの１つ前の前フレームのビット割当量を
基に、現フレームのビット割当量を修正するビット割当
量修正手段と、前記ビット割当量修正手段によって得ら
れた最終のビット割当量の量子化誤差を算出する第２量
子化誤差算出手段とを備え、上記ビット割当量修正手段
が、前記第１量子化誤差算出手段で算出された現フレー
ムのビット割当量と前記第２量子化誤差算出手段で算出
された前フレームのビット割当量との量子化誤差の差分
を前記非マスキング周波数帯域の量子化誤差について所
定値より小さくなるように修正することを特徴としてい
る。

【００１７】上記の構成では、あるフレームのビット割
当量がビット割当量算出手段によって算出されると、そ
のビット割当量の量子化誤差が第１量子化誤差算出手段
によって算出される。すると、マスキング周波数帯域抽
出手段によって、その量子化誤差が聴覚心理を用いて非
マスキング周波数帯域について抽出される。また、その
フレームに続くフレームのビット割当量の非マスキング
周波数帯域についての量子化誤差も同様にして算出され
る。これらの２つの続くフレームをそれぞれ前フレーム
と現フレームとして、ビット割当量修正手段によって、
現フレームのビット割当量が前フレームのビット割当量
を基に修正される。この結果、最終のビット割当量が得
られる。そして、このビット割当量の量子化誤差が第２
量子化誤差算出手段によって算出される。

【００１８】ビット割当量修正手段による修正時には、
現フレームのビット割当量の非マスキング周波数帯域に
ついての量子化誤差と、第２量子化誤差算出手段で算出
された前フレームのビット割当量の非マスキング周波数
帯域についての量子化誤差との差分が所定値より小さく
なるように修正される。これにより、経時変化の小さい
信号の入力時に入力された瞬間的に経時変化の大きい信
号を符号化するような場合でも、隣接するフレーム間で
の同一周波数の量子化誤差の変動が抑制される。

【００１９】本発明のディジタル信号記録装置は、入力
ディジタル信号を所定の符号化処理によって符号化して
記録媒体に記録するディジタル信号記録装置であって、
上記符号化処理を行うために、上記のいずれかのディジ
タル信号符号化装置を含んでいることを特徴としてい
る。この構成では、上記の各ディジタル信号符号化装置
によって、隣接するフレーム間での同一周波数の量子化
誤差の変動が抑制されることから、経時変化の小さい信
号の記録時に経時変化の大きい信号が入力されても、量
子化誤差に起因する上記のような音質の劣化の少ない信
号を記録することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１ないし図１１に基づいて説明すれば、以下の通りであ
る。

【００２１】まず、本実施の形態に係るミニディスク装
置について説明する。

【００２２】図２に示すように、ディジタル信号記録装
置としての本ミニディスク装置において、入力端子１か
ら入力されたディジタル信号としてのディジタルオーデ
ィオ信号が、例えば、光信号としてシリアル入力され
る。この光信号は、光電素子２によって電気信号に変換
された後、ディジタルＰＬＬ回路（Phase-Locked-Loo
p）３に入力される。

【００２３】ディジタルＰＬＬ回路３は、入力されたデ
ィジタルオーディオ信号からクロックの抽出を行うとと
もに、サンプリング周波数および量子化ビット数に対応
したマルチビットデータを再現する。このマルチビット
データは、信号源毎に対応したサンプリングレート（コ
ンパクトディスクでは４４．１ｋＨｚ、ディジタルオー
ディオテープレコーダでは４８ｋＨｚ、衛星放送（Ａモ
ード）では３２ｋＨｚ）で標本化されたディジタルデー
タである。そこで、ディジタルＰＬＬ回路３から出力さ
れたマルチビットデータは、周波数変換回路４によっ
て、そのサンプリングレートをミニディスクの規格に対
応した４４．１ｋＨｚに変換する。

【００２４】音声圧縮回路５は、前述のＡＴＲＡＣ方式
によって入力されたディジタルオーディオデータの圧縮
符号化を行う。符号化されたディジタルオーディオデー
タは、ショックプルーフメモリコントローラ６を介して
信号処理回路７に送出される。ショックプルーフメモリ
コントローラ６によって制御されるショックプルーフメ
モリ８は、音声圧縮回路５から出力されるディジタルオ
ーディオデータの転送速度と、信号処理回路７に入力さ
れるディジタルオーディオデータの転送速度との差を吸
収するとともに、再生時における振動等の外乱による再
生信号の中断を補間し、ディジタルオーディオデータを
保護するために設けられている。

【００２５】信号処理回路７は、エンコーダおよびデコ
ーダとしての機能を備えている。エンコーダとしての機
能は、入力されたディジタルオーディオデータをシリア
ルの磁界変調信号にエンコードしてヘッド駆動回路９に
与える。デコーダとしての機能は、後述するＲＦアンプ
１３からのシリアル信号をディジタルオーディオデータ
にデコードしてショックプルーフメモリコントローラ６
に与えるヘッド駆動回路９は、記録時に、記録ヘッド１
０をミニディスク１１上の所定の記録位置に移動させる
とともに、上記の磁界変調信号に対応した磁界を発生さ
せる。この状態で、ミニディスク１１上の所定の記録位
置には、光ピックアップ１２からレーザ光が照射されて
いる。これにより、上記の磁界に対応した磁化パターン
がミニディスク１１上に形成される。

【００２６】光ピックアップ１２は、ミニディスク１１
から上記の磁化パターンに対応したシリアル信号を読み
取る。このシリアル信号は、高周波アンプ（以降、ＲＦ
アンプと称する）１３で増幅された後、信号処理回路７
によってディジタルオーディオデータにデコードされ
る。このディジタルオーディオデータは、ショックプル
ーフメモリコントローラ６およびショックプルーフメモ
リ８によって外乱による影響が除去された後、音声伸長
回路１４に送出される。

【００２７】音声伸長回路１４は、ＡＴＲＡＣ方式によ
る圧縮符号化の逆変換処理（伸長復号化）を行い、フル
ビットのディジタルオーディオデータを復調する。復調
されたディジタルオーディオデータは、ディジタル／ア
ナログ変換回路（以降、Ａ／Ｄ変換回路と称する）１５
によってアナログオーディオ信号に変換され、出力端子
１６から外部へ出力される。

【００２８】ＲＦアンプ１３で増幅されたシリアル信号
は、サーボ回路１７にも入力される。サーボ回路１７
は、再生されたシリアル信号に応じてドライバ回路１８
に制御信号を送出し、そのドライバ回路１８を介してス
ピンドルモータ１９の回転速度をフィードバック制御す
る。このようなフィードバック制御により、ミニディス
ク１１を線速度一定で回転させることができる。

【００２９】また、サーボ回路１７は、ドライバ回路１
８を介して送りモータ２０の回転速度もフィードバック
制御する。このようなフィードバック制御により、ミニ
ディスク１１の半径方向に対する光ピックアップ１２の
変移制御、すなわちトラッキング制御を行うことができ
る。さらに、サーボ回路１７は、ドライバ回路１８を介
して光ピックアップ１２のフォーカシング制御も行う。

【００３０】上記の信号処理回路７、光ピックアップ１
２、ＲＦアンプ１４、サーボ回路１７、ドライバ回路１
８等には、図示しない電源回路から電力が供給される
が、このような電力供給動作や後述する信号処理動作
は、全てシステムコントロールマイクロコンピュータ２
１によって集中管理されている。このシステムコントロ
ールマイクロコンピュータ２１には、曲名入力、選曲操
作、音質調整動作等を行うための入力装置２２が接続さ
れている。

【００３１】続いて、本実施の形態のディジタル信号符
号化装置としての前述の音声圧縮回路５におけるディジ
タルデータ符号化処理について説明する。その前に、ま
ず、ミニディスク１１等で利用する前述のＡＴＲＡＣに
よる符号化・復号化処理について説明する。

【００３２】図３に示すように、音声圧縮回路５は、ス
ペクトル変換部５１およびビット割当処理部５２を有し
ている。

【００３３】スペクトル変換部５１は、符号化時、４
４．１ｋＨｚのサンプリング周波数でサンプリングされ
たオーディオ信号（マルチビットデータ）を、帯域分割
フィルタであるＱＭＦ（Quadrature Mirror Filter）に
よって複数の周波数帯域（サブバンドフレーム）に分割
する。また、スペクトル変換部５１は、分割されたサブ
バンドフレーム単位で前述のＭＤＣＴ処理を行い、各帯
域の周波数成分のＭＤＣＴ係数（スペクトルデータ）を
生成する。このときのＭＤＣＴ処理は、次式（１）で表
される。

【００３４】 Ｘｍ（ｋ）＝Σxm(i)h(i)cos(π/M(k＋1/2)(i＋M/2＋1/2) …（１） 式（１）において、ｋ＝０，１，…，Ｍ−１、 ｍ：ブロック番号、 xm(i)：入力信号、 h(i)：順変換用窓関数、 Ｘｍ（ｋ）：変換データ である。

【００３５】ビット割当処理部５２は、上記のＭＤＣＴ
係数を、ｉ個の各周波数帯域のスペクトルパワーＳｉ
（ｉ＝１，２，…，Ｉ；例えばＩ＝２５）に変換し、各
スペクトルパワーに対して後述のようにしてビット割当
処理を行う。このスペクトルパワーＳｉは、臨界帯域
（単位Bark）等が用いられる。臨界帯域は、周波数選択
性、マスキングしきい値等の特定の音響心理学的規則性
が有効な広帯域オーディオスペクトルの特性的部分のこ
とである。

【００３６】以下に、上記のビット割当処理部５２につ
いて詳細に説明する。

【００３７】ビット割当処理部５２は、図１に示すよう
に、パワー算出部５２ａ、ＳＮＲ算出部５２ｂ、１次量
子化ビット数算出部５２ｃ、量子化ノイズ算出部５２
ｄ、２次量子化ビット数算出部５２ｅおよび量子化ノイ
ズ保存部５２ｆを備えている。

【００３８】パワー算出部５２ａは、帯域毎に設けられ
ており、前述のＭＤＣＴ処理によって得られたＭＤＣＴ
係数を臨界帯域等の各周波数帯域に分割し、各周波数帯
域に属するＭＤＣＴ係数の２乗和から、前記のスペクト
ルパワーＳｉをそれぞれの帯域について算出する。ここ
で、パワーとは、単位時間当たりのエネルギーのことを
いう。

【００３９】ＳＮＲ算出部５２ｂは、スペクトルパワー
ＳｉとこのスペクトルパワーＳｉをｎビットで量子化し
たときの量子化雑音パワーＮｉ（ｎ）とから、信号対雑
音比ＳＮＲｉ（ｎ）＝Ｓｉ／Ｎｉ（ｎ）を算出する。こ
のＳＮＲｉ（ｎ）は、統計的には、信号の特性に応じた
定数となるので、統計処理によって予め求められていて
もよい。

【００４０】ビット割当量算出手段としての１次量子化
ビット数算出部５２ｃは、所望のビットレートと上記の
ＳＮＲｉ（ｎ）とに基づいて前述の反復法を用いて量子
化ビット数を算出する。ここでは、前述の反復法におけ
るマスキングしきい値Ｍを信号Ｓに置き換えて量子化ビ
ット数を算出する。

【００４１】第１量子化誤差算出手段としての量子化ノ
イズ算出部５２ｄは、現フレームにおいて、前記の処理
で求めたｎより量子化雑音パワーＮｉ（ｎ）を確定す
る。

【００４２】ビット割当量修正手段としての２次量子化
ビット数算出部５２ｅは、量子化ノイズ保存部５２ｆに
保存された前フレームの量子化雑音パワーＮｉ（ｎ）
と、量子化ノイズ算出部５２ｄで算出された現フレーム
の量子化雑音パワーＮｉ（ｎ）との差分の絶対値を求
め、その絶対値が所定値より小さくなるように、周波数
帯域の個数ｉを修正し、その個数ｉに基づいて、１次量
子化ビット数算出部５２ｃで算出された量子化ビット数
を修正する。

【００４３】第２量子化誤差算出手段としての量子化ノ
イズ保存部５２ｆは、２次量子化ビット数算出部５２で
算出された各周波数帯域の最終量子化ビット数ｎから前
フレームの量子化雑音パワーＮｉ（ｎ）を算出し、保存
する。この量子化ノイズ保存部５２ｆは、保存した前フ
レームの量子化雑音パワーＮｉ（ｎ）を２次量子化ビッ
ト数算出部５２ｅでの上記の差分を求めるために、２次
量子化ビット数算出部５２ｅに与える。

【００４４】上記のように構成されるビット割当処理部
５２においては、次のようにして割当処理が行われる。

【００４５】まず、図４に示すように、時間ｔ１、すな
わち、初期フレームの場合、２次量子化ビット数算出部
５２ｅでのビット数算出処理を行わずに、１次量子化ビ
ット数算出部５２ｃのｎが最終量子化ビット数となる。
次に、量子化ノイズ保存部５２ｆは、時間ｔ１のフレー
ムを前フレームとして、各周波数帯域の最終量子化ビッ
ト数ｎから時間ｔ１のフレームの量子化雑音パワーNit1
（ｎ）を算出して保存する。

【００４６】時間ｔ２、すなわち時間ｔ１の次のフレー
ム処理では、パワー算出部５２ａ、ＳＮＲ算出部５２
ｂ、１次量子化ビット数算出部５２ｃおよび量子化ノイ
ズ算出部５２ｄまで、初期フレームと同様の処理が行わ
れ、量子化雑音パワーNit2'（ｎ）が算出される。２次
量子化ビット数算出部５２ｅでは、まず、時間ｔ１の量
子化雑音パワーNit1（ｎ）と時間ｔ２の量子化雑音パワ
ーNit2'（ｎ）との差分が求められる。図４において、
時間ｔ１の全帯域のパワー（＝Σsit1）と時間ｔ２の全
帯域のパワー（＝Σsit2'）との関係は、Σsit1＜Σsit
2'である。従って、固定ビットレートの場合には、おお
むね、各周波数帯域でNit1（ｎ）＜Nit2'（ｎ）の関係
が成立している。

【００４７】次に、２次量子化ビット数算出部５２ｅで
は、例えば、Ｓｉの周波数帯域とパワーとを参照して、
｜Nit2'（ｎ）−Nit1（ｎ）｜で表される差分を、｜Nit
2'（ｎ）−Nit1（ｎ）｜＜１２ｄＢ（所定値）となるよ
うに、０〜２５のｉの値について修正する。図５に示す
例では、時間ｔ２にフレームについて、４つのサブバン
ドフレームＳＢ１〜ＳＢ４に対し、低域のビット割当量
が増加修正され、高域のビット割当量が削減修正されて
いることを示す。この補正においては、補正対象となる
周波数帯域のビット割当量を聴覚心理特性や信号のパワ
ーに応じて重み付けして修正するのがより好ましい。

【００４８】以上のように、本ビット割当処理部５２
は、１次量子化ビット数算出部５２ｃで算出したビット
割当量（量子化ビット数）を２次量子化ビット数算出部
５２ｅで修正する際に、量子化ノイズ保存部５２ｆで算
出して保存した前フレームの量子化雑音パワー（量子化
誤差）と、量子化ノイズ算出部５２ｄで算出した現フレ
ームの量子化雑音パワー（量子化誤差）との差分が所定
値より小さくなるように修正を行う。これにより、経時
変化の小さい信号の入力時に、瞬間的に経時変化の大き
い信号が入力されるような場合でも、隣接するフレーム
間での同一周波数の量子化誤差の変動が抑制される。

【００４９】続いて、他のビット割当処理部５２につい
て説明する。

【００５０】本ビット割当処理部５２は、図６に示すよ
うに、図１に示すビット割当処理部５２におけるパワー
算出部５２ａ、量子化ノイズ算出部５２ｄ、２次量子化
ビット数算出部５２ｅおよび量子化ノイズ保存部５２ｆ
を備えるとともに、マスキング算出部５２ｇ、最小可聴
限合成部５２ｈ、ＳＭＲ算出部５２ｉ、ＭＮＲ算出部５
２ｊ、１次量子化ビット数算出部５２ｋおよび非マスキ
ング領域抽出部５２ｍを備えている。

【００５１】マスキング算出部５２ｇは、上記のスペク
トルパワーＳｉより、公知の手段によってマスキングし
きい値を算出する。例えば、ＭＰＥＧ１の聴覚心理モデ
ル１を用いれば以下のような式になる。

【００５２】 Ｖｆ＝17×(dz＋1)−(0．4×Ｘ〔z(i)〕＋6) ｄＢ(-3≦dz＜-1)Bark Ｖｆ＝(0．4×Ｘ〔z(i)〕＋6) ｄＢ(-1≦dz＜0)Bark Ｖｆ＝−17×dz ｄＢ(0≦dz＜1)Bark Ｖｆ＝−(dz−1)×(17−0.15×Ｘ〔z(i)〕)−17 ｄＢ(1≦dz＜8)Bark Ｖｆ＝−∞ ｄＢ(-3＞dz,8＜1dz)Bark ここで、dz＝ｚ[ｊ]−ｚ[ｉ]、 Ｘ[ｚ(ｉ)]＝１０ｌｏｇ₁₀Ｓｉ であり、Ｂａｒｋは臨界帯域の単位を表す。

【００５３】上記の各式のＶｆをｉ（臨界帯域のインデ
ックス）毎に算出し、重複する周波数については最大の
Ｖｆを選択することによってマスキングしきい値が求め
られる。マスキングしきい値を算出するための方法とし
ては、その他、いくつかの公知の方法があるので、上記
の方法には限定されない。

【００５４】最小可聴限合成部５２ｈは、次式等で表さ
れる最小可聴限特性等と上記のマスキング算出部５２ｇ
で求めたマスキングしきい値とを合成して、図７に示す
ような最終のマスキングしきい値Ｍｉを各周波数帯域に
ついて決定する。最小可聴限特性は、予めテーブルＲＯ
Ｍに格納されていてもよい。

【００５５】 lt(f)=-0.6×3.64×(f/1000)^-0.8＋6.5×exp(-0.6(f/1000-3.3)²-10^-3×( f/1000)⁴ …（２） ＳＭＲ算出部５２ｉは、各周波数のインデックスを上記
のｉとすると、パワー算出部５２ａで求めたスペクトル
パワーＳｉと、最小可聴限合成部５２ｈで求めた各周波
数帯域のマスキングしきい値Ｍｉとの比ＳＭＲｉ＝Ｓｉ
／Ｍｉを全ての周波数帯域にわたって計算する。なお、
上記のｆは周波数（Ｈｚ）である。

【００５６】ＭＮＲ算出部５２ｊは、各周波数帯域の上
記のスペクトルパワーＳｉをｎビットで量子化したとき
の、このスペクトルパワーＳｉと量子化雑音パワーＮｉ
（ｎ）との比ＳＮＲｉ（ｎ）＝Ｓｉ／Ｎｉ（ｎ）を算出
し、この比ＳＮＲｉ（ｎ）と前記のＳＭＲｉとの比か
ら、マスキングしきい値と量子化雑音パワーとの比ＭＮ
Ｒｉ（ｎ）＝ＳＮＲｉ（ｎ）／ＳＭＲｉが求められる。
上記の比ＳＮＲ（ｎ）は、統計的には、信号の特性に応
じた特性となるので、統計処理によって求めておいても
よい。

【００５７】１次量子化ビット数算出部５２ｋは、ＭＮ
Ｒ算出部５２ｊで求められたマスキングしきい値と量子
化雑音パワーとの比ＭＮＲｉ（ｎ）に基づいて、各周波
数帯域の量子化ビット数を次のようにして割り当てる。
ビット数ｎを０から大きくしていき、その都度、各周波
数帯域のマスキングしきい値と量子化雑音パワーとの比
ＭＮＲｉ（ｎ）を計算し、その比ＭＮＲｉ（ｎ）が最小
となる周波数帯域から順にビットを割り当てていき、前
記の量子化ビット数ｎを更新する毎に、同様に比ＭＮＲ
ｉ（ｎ）が最小となる周波数帯域にビットの割り当てを
行い、ビットレートに応じた所定の割当可能ビット数と
なるまで割り当てを行う。すなわち、前記のスペクトル
パワーＳｉが、しきい値Ｍｉを超えた部分が最も大きい
周波数帯域から順次ビット割り当てが行われることにな
る。

【００５８】非マスキング周波数帯域抽出手段としての
非マスキング領域抽出部５２ｍは、前述の比ＳＭＲｉに
基づいて非マスキング領域（非マスキング周波数帯域）
を聴覚心理を用いて抽出する。具体的には、前述の比Ｓ
ＭＲｉが１を超える周波数帯域が非マスキング周波数帯
域であり、比ＳＭＲｉが１以下である周波数帯域がマス
キング周波数帯域であることから、各周波数帯域につい
てＳＭＲｉ＞１を判定し、非マスキング周波数帯域を求
める。

【００５９】ここでの、２次量子化ビット数算出部５２
ｅは、非マスキング周波数帯域のみに対し、｜Nit2'
（ｎ）−Nit1（ｎ）｜＞１２ｄＢとなるｎについて｜Ni
t2'（ｎ）−Nit1（ｎ）｜＜１２ｄＢとなるように、ｉ
＝０，…，２５まで修正を施す。

【００６０】修正によって削除または増加する量子化ビ
ット数は、図８に示すマスキング周波数帯域ＳｉＭ（斜
線部）内で調整される。

【００６１】このように、本ビット割当処理部５２は、
図１のビット割当処理部５２と同様に、１次量子化ビッ
ト数算出部５２ｋで算出したビット割当量（量子化ビッ
ト数）を２次量子化ビット数算出部５２ｅで修正する
が、非マスキング領域抽出部５２ｍで抽出した非マスキ
ング周波数帯域に対してのみ修正を行う。これにより、
音楽や音声のように非マスキング周波数帯域の成分を多
く含むために聴覚心理特性を利用することが好ましいソ
ースに対して、量子化誤差の変動によって発生する異音
として知覚可能な音質の劣化を低減することができる。

【００６２】引き続き、さらに他のビット割当処理部５
２について説明する。

【００６３】本ビット割当処理部５２は、図９に示すよ
うに、図１に示すビット割当処理部５２と同様、パワー
算出部５２ａ、量子化ノイズ算出部５２ｄ、１次量子化
ビット数算出部５２ｃ、量子化ノイズ算出部５２ｄ、２
次量子化ビット数算出部５２ｅおよび量子化ノイズ保存
部５２ｆを備えており、さらにパワー最大帯域抽出部５
２ｎを備えている。

【００６４】最大値抽出手段としてのパワー最大帯域抽
出部５２ｎは、パワー算出部５２ａで算出された前述の
スペクトルパワーＳｉの中からスペクトルパワー最大値
Max(Si)を抽出する。具体的には、パワー最大帯域抽出
部５２ｎは、スペクトルパワーＳｉ（ｉ＝１，２，…，
Ｉ）の中から最大となるＳｉのインデックスｉを抽出す
ることでスペクトルパワー最大値Max(Si)を抽出する。

【００６５】なお、パワー最大帯域抽出部５２ｎは、後
述するエネルギーの最大値を抽出する場合、エネルギー
Ｅｉ（ｉ＝１，２，…，Ｉ）の中から最大となるエネル
ギーＥｉのインデックスｉを抽出する。また、パワー最
大帯域抽出部５２ｎは、後述するスケールファクタの最
大値を抽出する場合、スケールファクタＳＦｉ（ｉ＝
１，２，…，Ｉ）の中から最大となるスケールファクタ
ＳＦｉのインデックスｉを抽出する。このスケールファ
クタは、スペクトルデータのスケール（大きさ）の因子
を表しており、一般的には、量子化される周波数単位の
中で、最大スペクトルの絶対値をコード化することによ
って算出される。

【００６６】ここでの２次量子化ビット数算出部５２ｅ
は、上記のスペクトルパワー最大値Max(Si)に対しての
み、｜Nit2'（ｎ）−Nit1（ｎ）｜で表される差分が｜N
it2'（ｎ）−Nit1（ｎ）｜＞１２ｄＢであれば、その差
分を｜Nit2'（ｎ）−Nit1（ｎ）｜＜１２ｄＢとなるよ
うに修正を施す。また、上記のスペクトルデータのエネ
ルギーまたはスケールファクタの最大値がそれぞれ抽出
される場合は、それらに対してのみ上記のようにして量
子化ビット数を修正する。

【００６７】この修正によって減少または増加する量子
化ビット数は、図１０に示すパワー最大帯域ＳｉＥ（斜
線部）以外の帯域の量子化ビット数を用いて調整され
る。

【００６８】このように、本ビット割当処理部５２は、
図１のビット割当処理部５２と同様に、１次量子化ビッ
ト数算出部５２ｃで算出したビット割当量（量子化ビッ
ト数）を２次量子化ビット数算出部５２ｅで修正する
が、パワー最大帯域抽出部５２ｎで抽出したスペクトル
パワー最大値（ピーク周波数）に対してのみ修正を行
う。これにより、ピーク周波数の量子化誤差の変動が抑
制される。上記のピーク周波数は、スペクトルデータの
パワー、エネルギーまたは指標（スケールファクタ）の
いずれかの最大値が属する周波数帯域の周波数を総称し
たものである。

【００６９】ピーク周波数は、マスキングの影響を受け
ないため（最小可聴限の影響を受けることはある）、聴
覚心理上重要な周波数である。つまり、ピーク周波数
は、最小可聴限以上の信号レベルではマスキングされず
に可聴周波数となるので、量子化誤差の揺らぎ（変動）
が発生すると、最も異音として知覚されやすい周波数で
ある。

【００７０】それゆえ、ピーク周波数の量子化誤差の変
動を抑制することによって、マスキングしきい値対雑音
非を用いたビット割当法、信号対雑音比を用いたビット
割当法およびマスキングしきい値対雑音比と信号対雑音
比とを併用するビット割当法のいずれにも、従来のビッ
ト割当法を用いた場合と比較して、同一周波数の量子化
誤差の変動を抑制することができる。

【００７１】また、本実施の形態のミニディスク装置
が、図１、図６および図９のビット割当処理部５２を含
む音声圧縮回路５を含むことによって、上記のように、
量子化誤差の変動が抑制されたディジタルオーディオデ
ータの圧縮符号化を行うことができる。それゆえ、経時
変化の小さい信号の記録時に経時変化の大きい信号が入
力されても、量子化誤差に起因する音質の劣化の少ない
信号を記録することができる。

【００７２】なお、本発明のディジタル信号符号化装置
は、実施の形態においてミニディスク装置に適用されて
いるが、同様な符号化を必要とする他の装置にも適用で
きることは勿論である。

【００７３】

【発明の効果】以上のように、本発明のディジタル信号
符号化装置は、時間的に連続する各フレームのビット割
当量を周波数帯域毎に算出するビット割当量算出手段
と、このビット割当量算出手段によって算出されたビッ
ト割当量の量子化誤差を算出する第１量子化誤差算出手
段と、前記ビット割当量算出手段によって算出された、
現フレームの１つ前の前フレームのビット割当量を基
に、現フレームのビット割当量を修正するビット割当量
修正手段と、前記ビット割当量修正手段によって得られ
た最終のビット割当量の量子化誤差を算出する第２量子
化誤差算出手段とを備え、上記ビット割当量修正手段
が、前記第１量子化誤差算出手段で算出された現フレー
ムのビット割当量と前記第２量子化誤差算出手段で算出
された前フレームのビット割当量との量子化誤差の差分
を所定値より小さくなるように修正する構成である。

【００７４】これにより、ビット割当量修正手段による
修正時には、現フレームのビット割当量の量子化誤差
と、第２量子化誤差算出手段で算出された前フレームと
のビット割当量の量子化誤差との差分が所定値より小さ
くなるように修正される。それゆえ、経時変化の小さい
信号の入力時に、瞬間的に経時変化の大きい信号が入力
されるような場合でも、隣接するフレーム間での同一周
波数の量子化誤差の変動が抑制される。したがって、そ
の量子化誤差の変動によって発生する異音として知覚可
能な音質の劣化を低減することができるという効果を奏
する。

【００７５】上記のディジタル信号符号化装置は、前記
スペクトルデータのパワー、エネルギーまたはスケール
ファクタの最大値を抽出する最大値抽出手段を備え、前
記ビット割当量修正手段が、抽出された前記最大値が属
する周波数帯域で前記差分を修正することによって、ス
ペクトルデータのパワー、エネルギーまたはスケールフ
ァクタの最大値が属する周波数帯域の周波数であるピー
ク周波数の量子化誤差の変動が抑制される。これによ
り、マスキングしきい値対雑音非を用いたビット割当
法、信号対雑音比を用いたビット割当法およびマスキン
グしきい値対雑音比と信号対雑音比とを併用するビット
割当法のいずれにも、従来のビット割当法を用いた場合
と比較して、同一周波数の量子化誤差の変動が抑制され
る。したがって、経時変化に起因する知覚可能な音質劣
化を低減することができるという効果を奏する。

【００７６】本発明の他のディジタル信号符号化装置
は、時間的に連続する各フレームのビット割当量を前記
周波数帯域毎に算出するビット割当量算出手段と、この
ビット割当量算出手段によって算出されたビット割当量
の量子化誤差を算出する第１量子化誤差算出手段と、前
記量子化誤差を非マスキング周波数帯域について抽出す
る非マスキング周波数帯域抽出手段と、前記ビット割当
量算出手段によって算出された、現フレームの１つ前の
前フレームのビット割当量を基に、現フレームのビット
割当量を修正するビット割当量修正手段と、前記ビット
割当量修正手段によって得られた最終のビット割当量の
量子化誤差を算出する第２量子化誤差算出手段とを備
え、上記ビット割当量修正手段が、前記第１量子化誤差
算出手段で算出された現フレームのビット割当量と前記
第２量子化誤差算出手段で算出された前フレームのビッ
ト割当量との量子化誤差の差分を前記非マスキング周波
数帯域の量子化誤差について所定値より小さくなるよう
に修正する構成である。

【００７７】これにより、ビット割当量修正手段による
修正時には、現フレームのビット割当量の非マスキング
周波数帯域についての量子化誤差と、第２量子化誤差算
出手段で算出された前フレームのビット割当量の非マス
キング周波数帯域についての量子化誤差との差分が所定
値より小さくなるように修正される。それゆえ、経時変
化の小さい信号の入力時に、瞬間的に経時変化の大きい
信号が入力されるような場合でも、隣接するフレーム間
での同一周波数の量子化誤差の変動が抑制される。した
がって、音楽や音声のように聴覚心理特性を利用するこ
とが好ましいソースに対して、量子化誤差の変動によっ
て発生する異音として知覚可能な音質の劣化を低減する
ことができるという効果を奏する。

【００７８】本発明のディジタル信号記録装置は、入力
ディジタル信号を所定の符号化処理によって符号化して
記録媒体に記録するディジタル信号記録装置であって、
上記符号化処理を行うために、上記のいずれかのディジ
タル信号符号化装置を含んでいる構成である。

【００７９】上記の各ディジタル信号符号化装置によっ
て、隣接するフレーム間での同一周波数の量子化誤差の
変動が抑制されることから、経時変化の小さい信号の記
録時に経時変化の大きい信号が入力されても、量子化誤
差に起因する上記のような音質の劣化の少ない信号を記
録することができる。したがって、高音質での記録が可
能なディジタル信号記録装置を提供することができると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るミニディスク装置
における音声圧縮回路のビット割当処理部の構成を示す
ブロック図である。

【図２】上記ミニディスク装置の構成を示すブロック図
であなる。

【図３】上記音声圧縮回路の構成を示すブロック図であ
る。

【図４】上記ビット割当処理部におけるパワー算出部で
求められた各周波数帯域のスペクトルパワーを示す図面
である。

【図５】上記ビット割当処理部による各周波数帯域への
ビット割り当てを示す図面である。

【図６】他のビット割当処理部の構成を示すブロック図
である。

【図７】図６のビット割当処理部におけるパワー算出部
で求められた各周波数帯域のスペクトルパワーを示す図
面である。

【図８】図６のビット割当処理部による各周波数帯域へ
のビット割り当てを示す図面である。

【図９】さらに他のビット割当処理部の構成を示すブロ
ック図である。

【図１０】図９のビット割当処理部におけるパワー算出
部で求められた各周波数帯域のスペクトルパワーを示す
図面である。

【図１１】図９のビット割当処理部による各周波数帯域
へのビット割り当てを示す図面である。

【符号の説明】

５ 音声圧縮回路（ディジタル信号符号化装置） ５１ スペクトル変換部 ５２ ビット割当処理部 ５２ａ パワー算出部 ５２ｃ １次量子化ビット数算出部（ビット割当量算
出手段） ５２ｄ 量子化ノイズ算出部（第１量子化誤差算出手
段） ５２ｅ ２次量子化ビット数算出部（ビット割当量修
正手段） ５２ｆ 量子化ノイズ保存部（第２量子化誤差算出手
段） ５２ｍ 非マスキング領域抽出部（非マスキング周波
数帯域抽出手段） ５２ｎ パワー最大帯域抽出部（最大値抽出手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディジタル信号を所定の複数の周波数帯域
   毎にスペクトルデータに変換し、各周波数帯域のスペク
   トルデータをそれぞれに応じて与えられたビット割当量
   で符号化するディジタル信号符号化装置において、 時間的に連続する各フレームのビット割当量を前記周波
   数帯域毎に算出するビット割当量算出手段と、 前記ビット割当量算出手段によって算出されたビット割
   当量の量子化誤差を算出する第１量子化誤差算出手段
   と、 前記ビット割当量算出手段によって算出された、現フレ
   ームの１つ前の前フレームのビット割当量を基に、現フ
   レームのビット割当量を修正するビット割当量修正手段
   と、 前記ビット割当量修正手段によって得られた最終のビッ
   ト割当量の量子化誤差を算出する第２量子化誤差算出手
   段とを備え、 上記ビット割当量修正手段が、前記第１量子化誤差算出
   手段で算出された現フレームのビット割当量と前記第２
   量子化誤差算出手段で算出された前フレームのビット割
   当量との量子化誤差の差分を所定値より小さくなるよう
   に修正することを特徴とするディジタル信号符号化装
   置。
2. 【請求項２】前記スペクトルデータのパワー、エネルギ
   ーまたはスケールファクタの最大値を抽出する最大値抽
   出手段を備え、 前記ビット割当量修正手段が、抽出された前記最大値が
   属する周波数帯域で前記差分を修正することを特徴とす
   る請求項１に記載のディジタル信号符号化装置。
3. 【請求項３】ディジタル信号を所定の複数の周波数帯域
   毎にスペクトルデータに変換し、各周波数帯域スペクト
   ルの大きさから、想定した各ビット数に対して各周波数
   帯域のマスキングしきい値対雑音比を求め、前記ビット
   数毎に前記マスキングしきい値対雑音比が最小となる周
   波数帯域から順に与えられたビット割当量で前記スペク
   トルデータを符号化するディジタル信号符号化装置にお
   いて、 時間的に連続する各フレームのビット割当量を前記周波
   数帯域毎に算出するビット割当量算出手段と、 前記ビット割当量算出手段によって算出されたビット割
   当量の量子化誤差を算出する第１量子化誤差算出手段
   と、 前記量子化誤差を非マスキング周波数帯域について抽出
   する非マスキング周波数帯域抽出手段と、 前記ビット割当量算出手段によって算出された、現フレ
   ームの１つ前の前フレームのビット割当量を基に、現フ
   レームのビット割当量を修正するビット割当量修正手段
   と、 前記ビット割当量修正手段によって得られた最終のビッ
   ト割当量の量子化誤差を算出する第２量子化誤差算出手
   段とを備え、 上記ビット割当量修正手段が、前記第１量子化誤差算出
   手段で算出された現フレームのビット割当量と前記第２
   量子化誤差算出手段で算出された前フレームのビット割
   当量との量子化誤差の差分を前記非マスキング周波数帯
   域の量子化誤差について所定値より小さくなるように修
   正することを特徴とするディジタル信号符号化装置。
4. 【請求項４】入力ディジタル信号を所定の符号化処理に
   よって符号化して記録媒体に記録するディジタル信号記
   録装置であって、 上記符号化処理を行うために、請求項１ないし３のいず
   れか１項に記載のディジタル信号符号化装置を含んでい
   ることを特徴とするディジタル信号記録装置。