JP2551147B2

JP2551147B2 - 音声符号化方式

Info

Publication number: JP2551147B2
Application number: JP1124403A
Authority: JP
Inventors: 陽太郎八塚; 隆裕野村; 茂飯塚
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1989-05-19
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JPH02305114A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はディジタル入力音声信号を低ビットレートに
符号化する音声符号化方式に関する。

（従来の技術）ディジタル海事衛星通信システムやSCPCによるディジ
タル・ビジネス衛星通信システムなどのように周波数帯
域の制限や送信電力の制限の厳しいシステムにあって
は、低ビットレートで、かつ高品質な符号化処理音声が
得られ、しかも伝送符号誤りの影響が非常に少ない音声
符号化・復号化方式が要求されている。

このような背景から種々の音声符号化・復号化方式が
提案され、代表的な方式として、フレームごとに予測計
数を算出する予測器を用い標本値間の相関を取り除いた
残差信号を適応量子化器を用いて符号化する適応予測符
号化（APC）方式、複数個のパルスを音源としてLPC合成
フィルタを駆動するマルチパルス駆動線形予測符号化
（MPEC）方式、及び、残差信号パターンを音源にしてLP
C合成フィルタを駆動するCode Excited Linear Predici
tive Codig（CELP）方式等がある。

ここでは、従来の音声符号化・復号化方式として適応
予測符号化方式（例えば特開昭60−116000又は同62−23
4435）を例にとり詳しく説明する。

第２図（ａ）及び（ｂ）は、従来の適応予測符号化方
式の構成図であり、同図（ａ）は符号器の構成図、同図
（ｂ）は復号器の構成図をそれぞれ示す。

まず、動作を説明する。ディジタル入力信号は、符号
化入力端子１を介してLPC分析器２と短時間予測器６に
入力される。LPC分析器２ではディジタル入力信号をも
とにフレーム毎に短時間スペクトル分析（以下、「LPC
分析」と称す）を行い、そこで得られたLPCパラメータ
をLPCパラメータ符号器３を介して符号化し、多重回路3
0を介して受信側の復号器へ伝送する。又、LPCパラメー
タ符号器３の出力をLPCパラメータ復号器４を介して復
号し、その出力からLPCパラメータ・短時間予測パラメ
ータ変換器５を介して短時間予測パラメータを得る。そ
して、この短時間予測パラメータを短時間予測器６、雑
音整形フィルタ19、局部復号用の短時間予測器24に設定
する。

引算器11では、この短時間予測パラメータを使用した
短時間予測器６の出力をディジタル入力信号から差し引
くことにより、音声波形の隣接サンプル間の相関を取り
除き短時間予測残差信号を得る。この短時間予測残差信
号は、ピッチ分析器７と長時間予測器10に入力される。
ピッチ分析器７では短時間予測残差信号をもとにフレー
ム毎にピッチ分析を行い、そこで得られたピッチ周期と
ピッチパラメータをピッチパラメータ符号器８を介して
符号化し、多重回路30を介して受信側の復号器へ伝送す
る。一方、ピッチ周期とピッチパラメータをピッチパラ
メータ復号器９を介して復号し、長時間予測器10、雑音
整形フィルタ19、局部復号用の長時間予測器23に設定す
る。

引算器12では、このピッチ周期とピッチパラメータを
使用した長時間予測器10の出力を短時間予測残差信号か
ら差し引くことにより、音声信号のピッチによる繰り返
し波形の相関を取り除き理想的に白色化された長時間予
測残差信号を得る。この長時間予測残差信号から雑音整
形フィルタ19の出力を引算器17を用いて差し引き、最終
予測残差信号としてこれを適応量子化器16で量子化、符
号化し、多重回路30を介して受信側の復号器へ伝送す
る。又、この符号化された最終予測残差信号は逆量子化
器18を介して復号化・逆量子化され引算器20及び加算器
21に入力される。引算器20では、この量子化された最終
予測残差信号から適応量子化器16の入力信号である最終
予測残差信号を差し引くことにより量子化雑音を得、こ
れを雑音整形フィルタ19に入力する。

サブフレーム毎に量子化ステップサイズを更新するた
めに、前述の長時間予測残差信号はRMS計算回路13でRMS
値が計算され、RMS値符号器14で符号化されて、その出
力レベルを基準レベルとし、併せて近傍のレベルを符号
器14内に記憶しておく。そして、RMS値符号器14の出力
信号はRMS値復号器15を介して復号され、特にこの基準
レベルに対応した量子化されたRMS値を基準RMS値とし、
これにあらかじめ用意しておいた基本ステップサイズを
掛け合せることにより適応量子化器16のステップサイズ
を決定する。一方、逆量子化器18の出力信号である量子
化された最終予測残差信号に局部復号用長時間予測器23
の出力を加算器21を介して加算する。更に、これを局部
復号用長時間予測器23に入力すると共に、局部復号用短
時間予測器24の出力を加算器22を介して加算し、これを
局部復号用短時間予測器24の入力とする。この様な過程
によって局部復号されたディジタル入力信号が得られ
る。この局部復号されたディジタル入力信号と元のディ
ジタル入力信号との差を誤差信号として引算器26を介し
て求める。サブフレーム間に渡って、この誤差信号の電
力を最小誤差電力検出器27で計算する。そして、あらか
じめ用意されている全ての基本ステップサイズと記憶し
ておいた基準レベルの近傍レベルについても同様な一連
の動作を行い、以上得られた誤差信号電力の内で最小な
電力を与える符号化RMSレベルと基本ステップサイズを
選択しこれを多重回路30を介して受信側の復号器へ伝送
する。なお、ステップサイズの符号化に際してはステッ
プサイズ符号器29を用いている。

第２図（ｂ）は、従来の適応予測符号化方式に用いる
復号器のブロック図である。

復号器では、復号器入力端子32を介して入力された信
号は、最終残差信号に関する信号、RMS値やステップサ
イズに関する信号、及び、LPCパラメータやピッチ周期
・ピッチパラメータに関する信号に多重分離回路33を用
いて分離され、各々、適応逆量子化器36、RMS値復号器3
5、ステップサイズ復号器34、LPCパラメータ復号器38、
及び、ピッチパラメータ復号器37に入力される。

RMS値復号器35を用いてRMS値を復号し、これと、基本
ステップサイズ復号器34を介して得られた基本ステップ
サイズとを適応逆量子化器36に設定する。そして、受信
された最終予測残差信号に関する信号を適応逆量子化器
36を用いて逆量子化し、量子化された最終予測残差信号
を得る。一方、LPCパラメータ復号器38を介して復号しL
PCパラメータ・短時間予測パラメータ変換器39を介して
得られた短時間予測パラメータを、合成フィルタを形成
する一方の予測器である短時間予測器43とポスト雑音整
形フィルタ44に設定し、更に、ピッチパラメータ復号器
37を介して復号されたピッチ周期とピッチパラメータを
合成フィルタを形成する他方の予測器である長時間予測
器42に設定する。

加算器40では、長時間予測器42の出力を適応逆量子化
器35の出力に加算し、その出力を長時間予測器42の入力
とすると共に、更にこれに短時間予測器43の出力を加算
器41を介して加算することにより、再生音声信号を得
る。そして、この信号は短時間予測器43に入力すると共
に、ポスト雑音整形フィルタ44に入力され雑音整形が行
われる。更に、その信号はレベル調整器45にも入力さ
れ、ポスト雑音整形フィルタ44の出力と比較することに
よりレベル調整を行う。

従来の符号器側の適応量子化器16は、単に引算器17の
出力である最終予測残差信号を入力として受け取り、サ
ンプル毎に量子化（以下、「スカラー量子化」と称す）
している。このスカラー量子化器の動作を説明するため
に、例として、第３図に示す様な入出力特性を持つ1bit
量子化を取り上げる（これは、ちょうど適応量子化器16
の入力と逆量子化器18の出力の関係に相当する）。1bit
のスカラー量子化は、入力された信号ｘの正負の符号だ
けを観察し、正の入力（ｘ≧０）には正の出力（＋ｙ）
を、逆に負の入力（ｘ＜０）には負の出力（−ｙ）を量
子化された信号としている。

次に、適応量子化器16として、ベクトル量子化を用い
た場合について、簡単にその原理を説明する。ベクトル
量子化は２段階の過程が必要であり、１つは、量子化を
する前にあらかじめコードブックを作る過程、もう１つ
は、そのコードブックを用いて実際の入力信号を量子化
する過程である２前者のコードブック作成過程では、あ
らかじめ、学習すべき入力信号を決定し、その信号を一
定の時間区間ごとに区切り、限られた数のパターンを用
いて、その区切られた信号を分布の偏りを考慮して表現
した時に、全体としての歪が最も小さくなる様に適切な
パターンを決定する。ところが、このコードブックを一
般の入力音声信号に適用するには、多くの学習すべき入
力信号が必要である。また、後者の量子化過程では、コ
ードブック内の数多くのパターンと一定時間で区切った
新たな入力信号とを比較（パターンマッチング）し、最
も歪の少ない（類似性の高い）パターンを決定し、その
コードに受信側に伝送する。

（発明が解決しようとする課題）前述した様に、一般に、適応量子化器16としては、ス
カラー量子化器か、ベクトル量子化器が用いられてい
る。ところが、スカラー量子化器を用いた場合、各サン
プルにおいてはS/Nの点で最適な量子化を行っていて
も、ある程度の時間内で観察するとS/Nの点で最適では
ない量子化結果になることが多いと言う問題点があっ
た。

また、ベクトル量子化器を用いた場合、ある程度の時
間内におけるS/Nは最適になる様に量子化できるもの
の、予めコードブックを作り、それからコードブック内
の数多くのパターンと入力信号との比較（パターンマッ
チング）を行う必要がある。例えば、ｍサンプルの入力
信号をp bitでベクトル量子化する場合、量子化に要す
る時間は2^p回のパターンマッチングに要する時間と同等
となる。また、メモリー量については、ｍ×2^p個の実数
メモリが必要となる。このように、ベクトル量子化器で
は、一般に膨大な処理時間がかかり、かつ数多くのパタ
ーンを格納するための膨大なメモリが必要であるという
問題点があった。

本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決するた
めになされたもので、ベクトル量子化ほどの処理時間と
メモリーとを必要とせず、かつベクトル量子化とほぼ同
等の良好な音声品質が得られる音声符号化方式を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段）本発明の特徴は、ディジタル入力音声信号を直接もし
くは該ディジタル入力音声信号と予測信号との差である
残差信号を量子化器により量子化・符号化し、該符号化
されたディジタル入力音声信号もしくは前記符号化され
た残差信号を局部複号したのち、前記ディジタル入力音
声信号と該局部復号されたディジタル入力音声信号との
誤差電力を用いて前記量子化器を制御する音声符号化方
式において、前記量子化すべき複数のサンプルを一単位として該一
単位の一部を、前記量子化器の入力信号に関係なくサン
プル毎の量子化を行うスカラー量子化器の出力として取
りうる全てのコードに量子化し、前記一単位のうちの残
りのサンプルは該スカラー量子化器で量子化を行い、前
記符号化されたディジタル入力音声信号もしくは前記符
号化された残差信号を局部復号し、該局部復号された復
号信号と前記ディジタル入力音声信号との誤差電力をそ
れぞれ求め、該誤差電力が最小もしくは前記ディジタル
入力音声信号と誤差電力との比が最大となる前記コード
に対応する量子化出力パターンを選択するように前記量
子化器を制御して量子化することにある。

（実施例）以下に、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

なお、以下では本発明の特徴を明確にするため、本発
明と従来との相違点について説明する。従って、本発明
の特徴部分である量子化方法について詳述し、その他の
構成については説明の重複を省くために省略する。ま
た、ここでは、音声符号化方式として適応予測符号化方
式を例に取るが、量子化・符号化手段、符号器側で局部
復号する復号手段及び入力信号と復号手段により復号さ
れた信号との誤差電力を求める手段を有する他の符号化
方式にも適用できる。

第１図は本発明による音声符号化方式の符号器の構成
図である。

符号器内の適応量子化器16として、ｒ−bit量子化器
を、ｎサンプルを一単位として引算器17の出力である最
終予測残差信号を量子化することを考える。また、本発
明では一単位のｎサンプルを一部を量子化器の入力信号
に関係なくサンプル毎のスカラー量子化器の出力として
取りうる全てのコードに量子化するものであるが、ここ
では説明を分り易くするため、一単位（ｎサンプル）の
うちｍ個のサンプルは従来のサンプル毎に量子化を行う
スカラー量子化で量子化を行うものとする。

ｎサンプルの内ｍ個（ｎ＞ｍ）の任意のサンプルにつ
いては、従来通りｒ−bit量子化を行う。すると、（ｎ
−ｍ）サンプルがまだ量子化されていないために、2
^r(n-m)通りの量子化コードに対応する量子化出力パター
ンが考えられる。そこで、この2^r(n-m)通りの量子化出
力パターン全てについて局部復号し、その内で入力信号
との誤差電力が最も小さい、もしくはディジタル入力音
声信号対誤差電力比（以下、「S/E比」と称す）が最も
大きくなる量子化コードに対応する量子化出力パターン
を選択する。そして、これらの操作を１サブフレーム間
行う。さらに、これら１サブフレーム間の一連の操作
を、あらかじめ用意されている全ての基本ステップサイ
ズと記憶しておいた基準レベルの近傍レベルについても
同様に行い、以上得られた誤差信号電力の内で最小の電
力を与えるもしくは、以上得られたS/E比の内で最大のS
/E比を与える符号化RMSレベルと基本ステップサイズ、
及び、量子化出力パターンを選択し受信側の復号器へ伝
送する。

具体的に説明するために、例えば、符号器の適応量子
化器16としては、従来と同様に第３図に示す入力Ｘに対
して出力Ｙが、Ｘ＞0:Y＝＋ｙＸ＜0:Y＝−ｙとなる様な入出力特性を持つ1bit量子化器を仮定する。
また、１サブフレームを４サンプル（ｎ＝４）ずつに分
け、４サンプルを単位として引算器17の出力である最終
予測残差信号を量子化する場合を考える。そして、その
４サンプルの内２サンプル目と４サンプル目については
従来通り1bit量子化（ｍ＝２）を行う。すると、１サン
プル目と３サンプル目がまだ量子化されていないため
に、表１に示す様に４通りの量子化出力パターンが考え
られる。そこで、この４通りの量子化出力パターン全て
について局部復号し、その内で入力信号その誤差電力が
最も小さい、もしくは、S/E比が最も大きくなる量子化
コードに対応する量子化パターンを選択する。

本発明による量子化方法を第１図を用いて詳説する。

（１）まず、表１の量子化出力パターン（ａ）の量子化
方法について説明する。

適応量子化器16は、引算器17からの最終予測残差信号
を４サンプル取り込む。その４サンプルの内最初の１サ
ンプル目としては、例えば表１のように取り込んだサン
プルを無視して、量子化された最終予測残差信号が正の
値（＋ｙ）を取る様に、それに対応するコードが逆量子
化器18にセットされる。

この符号化された最終予測残差信号のコードは逆量子
化器18を介して復号化・逆量子化され引算器20及び加算
器21に入力される。引算器20では、この量子化された最
終予測残差信号から適応量子化器16の入力信号である最
終予測残差信号を差し引くことにより量子化雑音を得、
これを雑音整形フィルタ19に入力する。一方、逆量子化
器18の出力信号である量子化された最終予測残差信号に
局部復号用長時間予測器23の出力を加算器21を介して加
算する。更に、これを局部用長時間予測器23に入力する
と共に、局部復号用短時間予測器24の出力を加算器22を
介して加算し、これを局部復号用短時間予測器24の入力
とする。

この局部復号されたディジタル入力信号と元のディジ
タル入力信号との差を誤差信号として引算器26を介して
求める。そして、その誤差電力を最小誤差電力検出器27
で計算する。

次の２サンプル目は従来通り1bit量子化を行う。すな
わち、入力ｘが正であれば、出力が＋ｙとなるスカラー
量子化を行う。

そして、３サンプル目としてはやはり取り込んだサン
プルを無視して、量子化された最終予測残差信号が正の
値（＋ｙ）を取る様に、それに対応するコードが逆量子
化器18にセットされる。

最後の４サンプル目は、従来通り1bit量子化を行う。
なお、記載しなかったが、２〜４サンプル目も１サンプ
ル目と同様に局部復号され、誤差信号が求められる。

このようにして、上述の４サンプル分の量子化コード
に対応する量子化出力パターン、すなわち量子化出力パ
ターン（ａ）の誤差電力が最小誤差電力検出器27で計算
される。

（２）次に、量子化出力パターン（ｂ）について量子化
し、誤差電力を求める。

最初の１サンプル目としては取り込んだサンプルを無
視して、量子化された最終予測残差信号が正の値（＋
ｙ）を取る様に、それに対応するコードが逆量子化器18
にセットされる。

次の２サンプル目はやはり従来通り1bit量子化を行
う。

３サンプル目としては取り込んだサンプルを無視し
て、量子化された最終予測残差信号が今度は負の値（−
ｙ）を取る様に、それに対応するコードが逆量子化器18
にセットされる。

最後の４サンプル目はやはり従来通り1bit量子化を行
う。

これらの４サンプルについても同様に局部復号され、
その誤差電力も最小誤差電力検出器27で計算される。

（３）さらに、量子化出力パターン（ｃ）について量子
化し、誤差電力を求める。

量子化出力パターン（ｃ）は、上述の量子化出力パタ
ーン（ａ）及び（ｂ）とは異なり、４サンプルの内１サ
ンプル目及び３サンプル目は取り込んだサンプルを無視
して、量子化された最終予測残差信号が負の値（−
ｙ）、正の値（＋ｙ）をそれぞれ取る様に、それに対応
するコードが逆量子化器18にセットされる。但し、２サ
ンプル目と４サンプル目はやはり従来通り1bit量子化を
行う。そして、これらの４サンプルについても同様に局
部復号され、その誤差電力も最小誤差電力検出器27で計
算される。

（４）最後に、量子化出力パターン（ｄ）が量子化さ
れ、誤差電力が求められる。

４サンプルの内１サンプル目及び３サンプル目として
は、取り込んだサンプルを無視して、量子化された最終
予測残差信号が共に負の値（−ｙ）を取る様に、それに
対応するコードが逆量子化器18にセットされる。２サン
プル目と４サンプル目はやはり従来通り1bit量子化を行
う。そして、これらの４サンプルについても同様に局部
復号され、その誤差電力を最小誤差電力検出器27で計算
される。

（５）量子化パターン選択器47において、以上の４通り
の量子化出力パターン（ａ）〜（ｄ）の内で最小の誤差
電力を与える量子化出力パターンもしくはS/E比が最も
大きくなる量子化出力パターンを選択する。これらの操
作を１サブフレーム間行い、その最の誤差電力も最小誤
差電力検出器27で計算され、量子化パターン選択器47に
おいて１サブフレーム分（一単位）の量子化コードに対
応する量子化出力パターンが選択される。

ここで、最小の誤差電力を与える量子化出力パターン
を選択するようにした場合には、ディジタル入力音声信
号の大きさに関係なく量子化出力パターンが選択され
る。一方、S/E比が最も大きくなる量子化出力パターン
を選択する場合には、ディジタル入力音声信号の大きさ
が考慮されたものとなる。

（６）さらに、これら１サブフレーム間の一連の操作
を、あらかじめ用意されている全ての基本ステップサイ
ズと記憶しておいた基準レベルの近傍レベルについても
同様に行い、以上得られた誤差信号電力の内で最小な電
力を与える、もしくは以上得られたS/N比の内で最大のS
/E比を与える符号化RMSレベルと基本ステップサイズ及
び量子化出力パターンを選択しこれを多重回路30を介し
て受信側の復号器へ伝送する。なお、受信側に配置され
ている復号器は、第２図（ｂ）で示した従来の復号器を
用いてそのまま復号できる。

上述のように、本発明は一単位のｎサンプルの一部を
量子化器の入力信号に関係なくサンプル毎のスカラー量
子化器の出力として取りうる全てのコードに量子化し、
2^r(n-m)通りの量子化出力パターン全てについて局部復
号し、そのうちで入力信号との誤差電力が最も小さい、
もしくはディジタル入力音声信号対誤差電力比が最も大
きくなる量子化コードに対応する量子化出力パターンを
選択するものである。従って、本発明では2^r(n-m)通り
の量子化出力パターンの処理ですむため、従来のベクト
ル量子化ほどの処理時間を必要とせず、かつ予め求めて
おいたコードブックを蓄積しておくようなメモリはまっ
たく必要としない。また、本発明では、2^r(n-m)通りの
量子化出力パターンの局部復号信号と入力信号との誤差
電力が最も小さくなるもしくはS/E比が最も大きくなる
量子化出力パターンを選択しているため、従来のベクト
ル量子化とほとんど遜色ないくらい良好な音声品質が得
られる。

なお、本発明の特徴である量子化器の入力信号に関係
なくサンプル毎のスカラー量子化器の出力として取りう
る全てのコードに量子化する一単位あたりのサンプル
は、少なくとも１サンプル行えば良い。なお、スカラー
量子化するｍ個のサンプルの位置としては、ｎサンプル
のどの位置のサンプルでも良い。

また、上述の説明では、適応予測符号化を例に取り説
明したが、本発明は、MPEC方式やCEL方式等他の音声符
号化方式にも適用できる。

（発明の効果）以上のように、本発明は、量子化すべき複数のサンプ
ルの一部を量子化器の入力信号に関係なくサンプル毎の
スカラー量子化器の出力として取りうる全てのコードに
量子化し、局部復号された復号信号と前記ディジタル入
力音声信号との誤差電力が最小もしくはディジタル入力
音声信号と誤差電力との比が最大となる量子化コードに
対応する量子化出力パターンを選択することにより、従
来の複号器を何ら変更することなく、従来のベクトル量
子化器よりも処理時間が非常に少なく、かつコードブッ
ク用のメモリーが全く必要なく、ベクトル量子化とほぼ
同等の良好な再生音声品質が得られる。

従って、本発明による音声符号化方式は、低ビットレ
ートの高能率音声符号化方式を実現することが可能とな
り、その効果が極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の音声符号化方式の符号器のブロック
図、第２図（ａ）及び（ｂ）は従来の音声符号化・復号化方
式の符号器と復号器のブロック図、第３図は1bit量子化器の入出力特性図である。１……符号器入力端子、２……LPC分析器、３……LPCパラメータ符号器、 4,38……LPCパラメータ復号器、 5,39……LPCパラメータ・短時間予測パラメータ変換
器、 6,24,43……短時間予測器、７……ピッチ分析器、８……ピッチパラメータ符号器、 9,37……ピッチパラメータ復号器、 10,23,42……長時間予測器、 11,12,17,20,26……引算器、 13……RMS計算回路、14……RMS値符号器、 15,35……RMS値復号器、16……適応量子化器、 18,36……逆量子化器、19……雑音整形フィルタ、 21,22,40,41……加算器、25……局部復号端子、 27……最小誤差電力検出器、 28……RMS値ステップサイズ選択器、 29……ステップサイズ符号器、 30……多重回路、32……符号器入力端子、 33……多重分離回路、 34……ステップサイズ復号器、 44……ポスト雑音整形フィルタ、 45……レベル調整器、 47……量子化パターン選択器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ディジタル入力音声信号を直接もしくは該
ディジタル入力音声信号と予測信号との差である残差信
号を量子化器により量子化・符号化し、該符号化された
ディジタル入力音声信号もしくは前記符号化された残差
信号を局部複号したのち、前記ディジタル入力音声信号
と該局部復号されたディジタル入力音声信号との誤差電
力を用いて前記量子化器を制御する音声符号化方式にお
いて、量子化を複数のサンプルを一単位として扱い、該一単位
の一部を、前記量子化器の入力信号に関係なくサンプル
毎の量子化を行うスカラー量子化器の出力として取りう
る全てのコードに量子化し、前記一単位のうちの残りの
サンプルは該スカラー量子化器で量子化を行って、複数
の量子化出力パターンを得、前記符号化されたディジタル入力音声信号もしくは前記
符号化された残差信号を局部復号し、該局部復号された復号信号と前記ディジタル入力音声信
号との誤差電力をそれぞれ求め、該誤差電力が最小もしくは前記ディジタル入力音声信号
と誤差電力との比が最大となる前記コードに対応する量
子化出力パターンを選択することを特徴とする音声符号
化方式。