JP2633318B2 - 音声符号化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、高品質の音声が得られるようにした音声
符号化装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は従来の音声符号化装置の構成を示すブロック
図であり、図において、１は音声信号入力端子、２はア
ナログ・ディジタル変換器（以下、A/D変換器とい
う）、３はバッファ、４はバッファ３の出力から予測フ
レームの予測係数を求める予測係数計算部、５はこの予
測係数を用いて音声信号を線形予測する予測器、６は予
測器５の出力からフレーム内の予測残差信号電力を計算
するフレーム残差電力計算部、７は予測残差信号電力か
ら量子化ステップ幅を求める量子化ステップ幅計算部、
８はこの量子化ステップ幅で予測残差を量子化する残差
量子化器、９はマルチプレクサ、10は符号化信号出力端
子である。

次に動作について説明する。後述するこの発明の実施
例においては、144標本／フレームの例を示すが、ここ
で説明を簡単にするために、６標本／フレームの場合に
ついて説明する（実際にはフレームをこのように短くす
ることはない）。

まず、残差量子化器８の特性が例えば、次のように決
められているとする。

（１） １ビット／標本の量子化を行うとき、 （Ａ）量子化判定レベル ０ 残差量子化器８入力≧０のとき、符号「１」を出力す
る。

残差量子化器８入力＜０のとき、符号「０」を出力す
る。

（Ｂ）受信側 符号「１」を受信したとき、残差量子化器に＋（rms
値）が入力されたとみなす。

符号「０」を受信したときは、残差量子化器８に−
（rms値）が入力されたとみなす。

ここで、（rms値）とは各標本の予測残量の２乗平均
平方根である。すなわち、予測器５の出力（１フレーム
分の予測残差）が1,−1,1,4,−1,−４であったとする
と、この６標本の（rms値）は、 となる。

（２） ２ビット／標本の量子化を行うとき、 残差量子化器８入力＜−1.07×（rms値）のとき、符
号「00」を出力する。

−1.07×（rms値）≦残差量子化器８入力＜０のと
き、符号「01」を出力する。

０≦残差量子化器８入力＜1.07×（rms値）のとき、
符号「10」を出力する。

1.07×（rms値）≦残差量子化器８入力のとき、符号
「11」を出力する。

（Ｂ）受信側 符号「00」を受信したとき、残差量子化器入力を−1.
70×（rms値）とみなす。

符号「01」を受信したとき、残差量子化器入力を−0.
44×（rms値）とみなす。

符号「10」を受信したとき、残差量子化器入力を0.44
×（rms値）とみなす。

符号「11」を受信したとき、残差量子化器入力を1.70
×（rms値）とみなす。

では、第３図の音声符号化装置の動作について説明す
る。

この第３図は適応予測符号化器の例を示すものであ
り、音声信号入力端子１から入力された音声信号はA/D
変換器２によって標本化される。

この標本化された音声信号はバッファ３に貯えられ、
一定時間間隔ごとに以下で説明する符号化処理が行われ
る。この時間間隔をフレーム長と呼ぶ。

バッファ３に貯えられた標本化された音声信号は予測
計係数算部４に入力され、そこで音声信号から予測フィ
ルタの予測係数が求められる。この予測係数を用いて予
測器５はバッファ３に貯えられた音声信号を線形予測し
て、予測残差を計算する。

この予測残差はフレーム残差電力計算部６および残差
量子化器８に送られる。フレーム残差電力計算部６はフ
レーム内の予測残差信号電力を計算し、量子化ステップ
幅計算部７に出力する。

上記にフレーム残差電力計算部６は予測残差信号電力
を１フレームにわたって計算する。この場合、1²＋（−
１）^２＋1²＋4²＋（−１）^２＋（−４）^２＝36となる。

また、量子化ステップ幅計算部７は予測残差信号電力
から量子化ステップ幅を求める。すなわち、量子化ステ
ップ幅計算部７は予測残差信号電力から量子化判定レベ
ルを算出する。残差信号に割り当てられたビット数が６
ビットとすると、１ビット／標本の量子化を行うことに
なるので、すでに述べた残差量子化器８の特性より、量
子化判定レベルは０となる。

また、量子化ステップ幅計算部７は受信側での復号に
用いる（rms値）を予測残差信号電力より求めマルチプ
レクサ９に送る。この（rms値）は上述のように、 である。

さらに、量子化ステップ幅計算部７で求めた量子化判
定レベルは残差量子化器８に送られる。残差量子化器８
はこの量子化判定レベルに基づき、予測残差を１ビット
／標本で符号化（量子化）する。

この場合、予測残差が1,−1,1,4,−1,−４は1,0,1,1,
0,0と符号化され量子化符号となる。

線形予測がうまく行われれば、予測残差信号電力は入
力信号の電力に比べて充分小さい。そのため、音声信号
をそのまま量子化しようとすれば、12ビット程度の量子
化器が必要なのに対し、予測残差の量子化は１ビットな
いし２ビットで済むことになる。

符号化された量子化符号は残差量子化器８からマルチ
プレクサ９に送出される。マルチプレクサ９には、予測
係数計算部４からの予測係数および量子化ステップ幅計
算部７からの量子化ステップ幅の符号化パラメータも入
力される。

これにより、マルチプレクサ９はこの量子化符号と予
測係数と量子化ステップ幅とを多重化して符号信号出力
端子10より、上述の予測残差1,−1,1,4,−1,−４の量子
化符号1,0,1,1,0,0を受信側に伝送する。

受信側でこれを受信すると、上記残差量子化器特性か
ら、予測残差は2.45,−2.45,2.45,2.45,−2,45,−2.45
であったとみなす。

このとき、本当の予測残差は1,−1,1,4,−1,−４であ
ったから、量子化誤差は−1.45,1.45,−1.45,1.55,1.4
5,−1.55となり、その２乗和は13.215となる。

この２乗和が小さくなればなるほど、よいのは云うま
でもない。一般に量子化誤差を小さくするためには、量
子化ビット数を増加させるが、回線容量の制約から伝送
できるビット数が制約される多くの場合には、量子化ビ
ット数を増加させることができない。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の音声符号化装置は以上のように構成されている
ので、予測残差の量子化には、標本ごとに均等に１ビッ
トあるいは２ビットが割り当てられている。

しかし、母音区間等では、ピッチのゆらぎ等により、
音声信号の振幅の大きい部分での予測残差が大きくなる
ので、この部分の量子化誤差が大きくなり、復号音声の
品質が劣化するという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、精度のよい符号化が行え、量子化誤差を少
なくでき、高品質の音声を提供できる音声符号化装置を
得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

請求項１の発明に係る音声符号化装置は、各サブフレ
ームごととフレーム全体の予測残差信号電力との残差信
号電力比が所定のしきい値を越えると、そのフレーム全
体の残差符号化ビット数が一定となるように保ちつつ、
残差電力信号の偏在するサブフレームに対して多くのビ
ット数を割り当てるサブフレーム量子化ビット数計算部
を設けたものである。

請求項２の発明に係る音声符号化装置は、各サブフレ
ームごととフレーム全体の予測残差信号電力との残差信
号電力比が所定のしきい値を越えると、予測残差の量子
化符号を逆量子化した値と上記予測残差との標本ごとの
誤差から得られる量子化誤差電力を固定ビット割当て量
子化と適応ビット割当て量子化についての比較の結果、
誤差の少ない方の量子化法で量子化ビットを割り当てる
サブフレーム量子化ビット数計算部を設けたものであ
る。

〔作 用〕

請求項１の発明におけるサブフレーム量子化ビット数
計算部は、サブフレーム残差電力計算部で計算された各
サブフレームごとの予測残差信号電力とフレーム全体の
予測残差信号電力との残差信号電力比が所定のしきい値
とを越えると、その越えたサブフレームに対して、フレ
ーム全体の残差符号化ビット数が一定となるように保ち
つつ、割り当てビット数を増加する。

請求項２の発明におけるサブフレーム量子化ビット数
計算部は、サブフレーム残差電力計算部で計算された各
サブフレームことの予測残差信号電力とフレーム全体の
予測残差信号電力との残差信号電力比が所定のしきい値
を越えると、その越えたサブフレームに対して、量子化
符号を逆量子化した値と予測残差との標本ごとの量子化
誤差を求め、この量子化誤差を求めて、これをフレーム
全体にわたって２乗和をとり、固定ビット割当量子化と
適応ビット割当量子化について比較し、その２乗和の小
さい方の量子化法による量子化ビット数をサブフレーム
に割り当てる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図において、１〜10は第３図と同一であり、11は予測
器５で計算された予測残差から各サブフレームごとに予
測残差信号電力を計算し、フレーム全体の予測残差信号
電力との比を求めてサブフレーム量子化ビット数計算部
12と量子化ステップ幅計算部７に出力するサブフレーム
残差電力計算部である。

このサブフレーム量子化ビット数計算部12は各サブフ
レームごとの予測残差信号電力とフレーム全体の予測残
差信号電力との比が所定のしきい値を越えると、サブフ
レームに対して、全体の残差符号ビット数を一定にする
ような条件の下に、そのサブフレームの残差量子化ビッ
ト数を増加して残差量子化器８に出力するようにしてい
る。なお、第３図におけるフレーム残差電力計算部６は
この発明では省略されている。

次に動作について説明する。この動作の説明に際して
も、第３図の同一部分についての重複説明を避ける。

この第１図において、１フレーム６標本が３標本ずつ
のサブフレーム二つに分かれていたとする。サブフレー
ム残差電力計算部11は各サブフレームごとに予測残差信
号電力を計算する。

この第１図の実施例では、第１サブフレームの予測残
差信号電力は1²＋（−１）^２＋1²＝３、第２のサブフレ
ームの予測残差信号電力は4²＋（−１）^２＋（４）^２＝
33である。また、フレーム全体の予測残差信号電力は３
＋33＝36である。

サブフレーム量子化ビット数計算部12は各サブフレー
ムの予測残差信号電力とフレーム全体の予測残差信号電
力の比を求め、量子化方法を決定する。

この場合、第１サブフレームでは、比の値は3/36＝0.
08、第２サブフレームでは33/36＝0.92である。この値
があるしきい値、例えば0.8を越えたとき、そのフレー
ムは２ビット／標本で量子化し、0.8を越えなかったと
きは１ビット／標本で量子化するものとする。これによ
り、第１サブフレームは１ビット量子化、第２サブフレ
ームは２ビット量子化となる。

上記比があるしきい値を越えると、サブフレーム量子
化ビット数計算部12はそのサブフレームに対し、全体の
残差符号化ビット数を一定にするような条件の下に、こ
のサブフレームの残差量子化ビット数を増す。

量子化ステップ幅計算部７は残差信号電力から（rms
値）を求め、量子化判定レベルを計算する。（rms値）
は であり、量子化判定レベルは、上記した残差量子化器８
の特性によって、１ビット量子化の第１サブフレームで
は０、２ビット量子化の第２サブフレームでは、 −1.07×2.45＝−2.62,0,2.62となる。

この量子化判定レベルで残差量子化器８は残差信号
（予測残差）を量子化（符号化）する。第１サブフレー
ム残差信号は1,−1,1、第２サブフレームでは残差信号
は4,−1,−４であり、これらの量子化符号は1,0,1,11,0
1,00となる。

これでは、９ビットになってしまうので、６ビットに
するために、３標本に１標本の間引きを行う。この間引
きをする標本を決めるために、残差信号にそれぞれ１
（），−１（）,1（）,4（），−１（），−
４（）のように、それぞれ番号を付け、各番号の残差
信号電力を求めると、は1²＋４＝17、は（−１）^２
＋（−１）＝２、は1²＋（−４）^２＝17でが最小と
なるので、を間引くことにする。

このを間引いたということを示すために、別に２ビ
ットを伝送する。（なら「01」、なら「10」，な
ら「11」というように）。結局、を間引いて符号化し
たビットは1,1,11,00の６ビットとなる。

この他にを間引いたことを示すフラグ「10」、第２
サブフレームで２ビット量子化を行ったことを示すフラ
グ「１」、サブフレームの予測残差信号電力の比がしき
い値0.8を越えたので、同定ビット割当量子化にせず、
１ビット量子化と２ビット量子化を行ったことを示すフ
ラグ「１」の４ビットを伝送する（固定ビット割当量子
化のときは，，のいずれを間引いたかを示すフラ
グを「00」にすることにすれば、１ビット節約でき
る）。

この場合、計６＋４＝10ビットを伝送することになる
が、フレーム内標本数が多くなっても送るべきフラグは
４ビットのままであるから、効率がよくなる。

ここで、さらに具体的に説明する。１フレーム中に14
4個の標本があり、１フレームが72標本ごとの二つのサ
ブフレームに分割されていて、予測残差の符号化に146
ビットが割り当てられるとする。

従来の量子化は単純に各標本化を１ビット量子化する
ものであったが、この発明における量子化では、まず、
各サブフレームの予測残差信号電力とフレーム全体の予
測残差信号電力の比をサブフレーム残差電力計算部11で
計算する。

フレーム内の予測残差信号電力がほぼ一様に分布して
いる場合には、この比の値は0.5付近になると期待され
るが、予測残差信号電力が偏在している場合には、0.5
より大きくはずれる。

この比が上述のようにあるしきい値を越えた場合に
は、しきい値を越えたサブフレームはサブフレーム量子
化ビット数計算部12で２ビット量子化を行い、越えない
フレームは１ビット量子化を行う。その代わりに、フレ
ーム全体にわたって３標本に１標本の間引きを行い、間
引かれた標本は量子化符号を伝送しない。

このようにすれば、全体の残差符号代ビット数は144
ビットのままで、予測残差信号電力の偏在するサブフレ
ームに96ビット、そうでないサブフレームに48ビットが
割り当てられ、より効果的な予測残差の符号代が行え
る。

残る２ビットのうち、１ビットはどちらのサブフレー
ムに予測残差信号電力が偏在しているかを示すフラグと
して、もう１ビットは残差信号電力の比の値がしきい値
を越えなかった場合、従来と同じ一様量子化を行うの
で、一様量子化かどうかを示すフラグとして用いる。

以上の説明では、例としてフレームを二つのサブフレ
ームに分割した場合について述べたが、分割数を3,4…
にした場合も同様の方法で予測残差の符号化ができる。

なお、上記実施例では、全体の残差符号化ビット数を
一定に抑えるために、フレーム全体で間引きを行ってい
る。このため、予測残差信号電力が偏在していて量子化
精度を向上したサブフレームについても間引きが行われ
てしまう。この欠点は割り当てビット数をうまく工夫す
れば、構成は同一のままでも回避することができる。

ここで、三つのサブフレームに分割した場合について
説明する。予測残差が（1,−１），（1,4），（−1,−
４）の三つのサブフレームに分割されると、サブフレー
ム残差電力計算部11で各サブフレームの予測残差信号電
力とフレーム全体の予測残差信号電力を求める。

第１サブフレームは1²＋（−１）^２＝２、第２サブフ
レームは1²＋4²＝17、第３サブフレームは （−１）^２＋（−４）^２＝17、フレーム全体では、２＋
17＋17＝36となる。

このようにして求めた予測残差信号電力はサブフレー
ム量子化ビット数計算部12に送られる。このサブフレー
ム量子化ビット数計算部12は各サブフレームの予測残差
信号電力とフレーム全体の予測残差信号電力の比を求
め、量子化方法を決定する。この比の値は第１サブフレ
ームでは、2/36≒0.06、第２サブフレームでは7/36≒0.
47、第３サブフレームでは17/36≒0.47である。

比の値がしきい値を越えていれば、一様量子化せず、
一つのサブフレームについて、２ビット／標本の量子
化、その他のサブフレームでは、１ビット／標本の量子
化を行う。

いま、第2,第３サブフレームの比の値0.47がそのしき
い値を越えているとすれば、２ビット量子化できるサブ
フレームは一つだけなので、比の値が最も大きく、かつ
フレームの先頭に近いサブフレームが２ビット量子化さ
れるようにする。いまの場合は第２サブフレームが２ビ
ット量子化される。

また、量子化ステップ幅計算部７は予測残差信号電力
から（rms値）を求め、量子化判定レベルを計算する。
（rms値）は 量子化判定レベルは１ビット、量子化では０で、２ビッ
ト量子化では−1.07×2.45＝−2.62,0,2.62である。

この量子化判定レベルで残差量子化器８は予測残差を
量子化する。予測残差（1,−１），（1,4），（−1,−
４）は1,0,10,11,0,0となる。ここから１ビット量子化
を行った第1,第３サブフレームについて、２標本に１標
本を間引くようにする。

間引きを行う標本を決めるため、（１（），−１
（）），（1,4），（−１（），−４（））と番
号を付け、各番号の残差信号電力を求めると、は1²＋
（−１）^２＝２、は（−１）^２＋（−４）^２＝17で、
が小さくなるので、を間引くことにする。このを
間引いたことを示すために、なら「０」、なら
「１」というように、別に１ビット伝送する。

結局、第1,第３サブフレームについてを間引いた後
の量子化符号は0,10,11,0となる。

この他に、を間引いたことを示すフラグ「０」、第
２サブフレームで２ビット量子化を行ったことを示すフ
ラグ「10」、サブフレームの予測残差信号電力の比がし
きい値を越えたために固定ビット割当量子化ではなく、
２ビット量子化と１ビット量子化を行ったことを示すフ
ラグ「１」、以上の４ビットを伝送する（固定ビット割
当量子化のときは、どのサブフレームで２ビット量子化
を行ったかを示すフラグを「00」とすれば、１ビット節
約できる）。

一方、受信側では、残差量子化器８の特性に基づき、
伝送された量子化符号から予測残差を復号する。ここで
間引かれた標本の値は０であったとみなす。

これにより、復号したときの予測残差は 0,−2,45,
1.08（＝0.44×2.45）,4.17（＝1.70×2.45）,0,−2.45
となる。

このときの誤差は−1,−1.45,0.08,0.17,1,1.55とな
るので、その２乗和（量子化誤差電力）は6.540とな
り、やはり単純な１ビット／標本の量子化よりもよくな
る。

また、例えば、先に例として挙げたフレーム内144標
本の予測残差を符号化して,146ビットにする場合、フレ
ームを三つのサブフレームに分割すると、１サブフレー
ムの標本数は48標本である。

サブフレームの予測残差信号電力と全フレームの予測
残差信号電力の比がしきい値を越えたサブフレームは、
全標本を２ビット量子化し、その他のサブフレームは１
ビット量子化で２標本に１標本を間引くことにする。

２ビット量子化を行うサブフレームを１サブフレーム
だけになるようにすれば、予測残差の符号化ビット数は
144ビットになる。残る２ビットはどのサブフレームを
２ビット量子化したかを示す「00」，「01」，「10」の
いずれかである。

この２ビットが「11」のときには、全標本を１ビット
量子化する従来の方法で量子化したことを示すことにす
る。

このようにすれば、予測残差信号電力の偏在するサブ
フレームは間引きを行わずに済む。

さて、この発明は上記のように、予測残差信号電力の
偏在するサブフレームに多くのビットを割り当てて符号
化を行うが、残差符号化ビット数を一定にするために間
引きを行うので固定ビット割当量子化した場合と比べ
て、フレーム全体として量子化誤差が少なくなっている
かどうかは、あらかじめ予測することがむずかしい。

そこで、第２図に示すように、逆量子化器13を設けて
残差量子化器８から出力される量子化符号を逆量子化
し、標本ごとにもとの予測残差を逆量子化して得た予測
残差との量子化誤差を求めて、フレーム全体にわたる２
乗和（量子化誤差電力）を誤差計算部14で求める。

さらに、これを固定ビット割当量子化と適応ビット割
当量子化について誤差計算部14で比較し、誤差の小さい
方の量子化法により残差量子化器８で量子化すれば、精
度のよい符号化が行え、音声品質を向上させることがで
きる。

この場合、サブフレームの予測残差信号電力の比の値
としきい値を比べる動作をせずに、常に固定ビット割当
量子化と適応ビット割当量子化のよい方を選択させるこ
ともできる。

また、上記各量子化方法で予測残差を符号化した結果
をメモリに覚えておいて、その中で誤差２乗和（量子化
誤差電力）が最小になった符号化結果を伝送すれば、再
度符号化をする必要はない。

〔発明の効果〕

以上のように、請求項１の発明によれば、フレームを
いくつかのサブフレームに分割し、各サブフレームごと
とフレーム全体との予測残差信号電力比が所定のしきい
値を越えると、そのサブフレームに対して全体の残差符
号化ビット数が一定となるように予測残差信号電力の偏
在するサブフレームに多くのビット数を割り当てるよう
に構成したので、精度のよい符号化が行え、量子化誤差
を少なくすることができ、音声の品質を向上させること
ができる効果がある。

また、請求項２の発明によれば、フレームをいくつか
のサブフレームに分割し、各サブフレームごととフレー
ム全体との予測残差信号電力比が所定のしきい値を越え
ると、そのサブフレームに対して、量子化符号の逆量子
化により得た予測残差と標本ごとのもとの予測残差との
量子化誤差をフレーム全体にわたって２乗和したもの
（量子化誤差電力）を固定ビット割当量子化と適応ビッ
ト割当量子化についての比較の結果、誤差の少ない方の
量子化法で量子化するように構成したので、請求項１よ
りもさらに精度の良い符号化が行え、量子化誤差を少な
くすることができ、音声の品質を向上させることができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による音声符号化装置の構
成を示すブロック図、第２図はこの発明の他の実施例に
よる音声符号化装置の要部の構成を示すブロック図、第
３図は音声符号化装置の構成を示すブロック図である。 ５は予測器、７は量子化ステップ幅計算部、８は残差量
子化器、９はマルチプレクサ、11はサブフレーム残差電
力計算部、12はサブフレーム量子化ビット数計算部。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】標本化された音声信号から求めた予測値と
   音声信号との差により予測残差を計算する予測器と、１
   フレームを所定数のサブフレームに分割してこの各サブ
   フレームごとに予測残差信号電力を計算し、フレーム全
   体の予測残差信号電力との残差信号電力比を求めるサブ
   フレーム残差電力計算部と、前記残差信号電力比が所定
   のしきい値を越えるとそのサブフレームに対して、全体
   の残差符号化ビット数を一定に保ちつつ、多くの量子化
   ビット数を割り当てるサブフレーム量子化ビット数計算
   部と、上記量子化ビット数に基づいて上記予測器で計算
   された上記予測残差を量子化して量子化符号とする残差
   量子化器とを備えた音声符号化装置。
2. 【請求項２】標本化された音声信号から求めた予測値と
   音声信号との差により予測残差を計算する予測器と、１
   フレームを所定数のサブフレームに分割してこの各サブ
   フレームごとに予測残差信号電力を計算し、フレーム全
   体の予測残差信号電力との残差信号電力比を求めるサブ
   フレーム残差電力計算部と、上記残差信号電力比が所定
   のしきい値を越えるとそのサブフレームに対して、上記
   予測残差を量子化した量子化符号を逆量子化した値と上
   記予測残差との標本ごとの誤差から得られる量子化誤差
   電力を固定ビット割当量子化と適応ビット割当量子化に
   ついて比較して決定した誤差の少ない量子化法で量子化
   ビット数を割り当てるサブフレーム量子化ビット数計算
   部と、上記量子化ビット数に基づいて上記予測器で計算
   された上記予測残差を量子化して量子化符号とする残差
   量子化器とを備えた音声符号化装置。