JP2637965B2 - 音声符号化復号化方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は音声波形の帯域圧縮をして音声波形のディジ
タル伝送や蓄積をするのに用いる音声符号化復号化方法
とその装置に関する。

（従来の技術） 音声波形のもつ相関を利用して音声波形の帯域圧縮を
図る方法に予測符号化法がある。線形予測符号化は線形
外挿で求まる予測値と被予測音声サンプル値との平均誤
差が最小になるような外挿係数（線形予測係数）で音声
波形の短時間特性を表わすもので、周波数領域では入力
音声波形のスペクトル包絡を全極型フィルタの周波数応
答で近似することに等しい。線形予測係数による短時間
スペクトル情報の高能率伝送の実現を示したものに、例
えば、板倉と斎藤の1970年電子通信学会論文誌53−Ａ巻
36頁−43頁（文献１）がある。また更に、予測係数の量
子化特性の改善を論じたものに板倉と斎藤の1971年“偏
自己相関係数による音声分析合成系”に日本音響学会講
演論文集199頁（文献２）がある。

しかし、上記線形外挿による予測では、音声波形のも
つ片側の情報しか利用していない。外挿予測と同じ情報
量で更に効率良く音声波形の短時間特性を表わすものに
内挿予測符号化が提案されている。内挿予測符号化は、
被予測音声サンプルの両側に位置する過去と未来にある
音声サンプルの相関を利用して予測値を求めるもので、
被予測音声サンプルの片側にある音声サンプルの相関し
か利用しない外挿予測に比べ、高い予測効率を得ること
ができる。内挿予測を画像信号の高能率符号化に応用し
たものに羽鳥による1983年電子通信学会論文誌66−Ｂ
巻、599頁−606頁（文献３）がある。

（発明が解決しようとする問題点） 内挿予測は外挿予測に比べ、同じ予測次数で予測誤差
電力を小さくしうるという意味で、確かに効率的であ
る。しかし、文献３で提案されている内挿予測符号化は
内挿予測係数を固定しており、音声波形のような時間特
性が短時間ごとに変動する非定常信号系列に対しては、
内挿予測の能力を十分に発揮することはできない。非定
常信号に対しても高い符号化効率を得るには内挿予測係
数を音声波形の短時間特性に適応させる必要がある。ま
た、内挿予測係数を単に量子化する構成では内挿予測係
数をフィルタ係数にもつ合成フィルタの安定性が保たれ
る保証はなく、効率的な量子化を実現する為には内挿予
測係数を量子化に強い係数系列に変換する構成を工夫す
る必要がある。

本発明の目的は、内挿予測符号化において、内挿予測
係数を音声波形の短時間特性に適応させる構成と前記適
応的に定める内挿予測係数の効率的な量子化構成を提供
することにより、低ビットレイトで高品質な音声符号化
法を得ることにある。

（問題点を解決する為の手段） 本願の第１の発明によれば、内挿予測符号化の内挿予
測係数の符号化復号化方法であって、符号化側では、被
内挿予測サンプルから内挿予測次数分離れた過去と未来
との音声サンプル間にある音声サンプルを用いて内挿予
測した予測値と被内挿予測音声サンプル値との相互相関
を変形した変形相関係数系列と前記変形相関係数系列に
対応して定まる内挿予測誤差信号系列とを求め、復号化
側では、前記変形相関係数系列を内挿予測係数に変換
し、前記内挿予測誤差信号系列と前記内挿予測係数とか
ら再生音声信号系列を生成することを特徴とする音声符
号化復号化方法が得られる。

また、本願の第２の発明によれば、入力した一連の離
散音声信号系列を内挿予測符号化する音声符号化装置で
あって、被内挿予測サンプルから内挿予測次数分離れた
過去と未来との音声サンプル間にある音声サンプルを用
いて内挿予測した予測値と被内挿予測音声サンプル値と
の相互相関を変形した変形相関係数系列を求める手段
と、前記変形相関係数を量子化する手段と、前記量子化
された変形相関係数系列と前記離散音声信号系列とから
内挿予測誤差信号系列を求める手段と、前記内挿予測誤
差信号系列を量子化する手段と、前記変形相関係数系列
と前記内挿予測誤差信号系列とを表わす符号系列を出力
する手段とを有することを特徴とする音声符号化装置が
得られる。

さらに、本願の第３の発明によれば、変形相関係数と
内挿予測誤差とを表わす符号系列を入力する手段と、前
記変形相関係数系列を表わす符号系列と前記内挿予測誤
差信号系列を表わす符号系列とを復号する手段と、前記
復号された変形相関係数系列と前記復号された予測誤差
信号系列とから再生信号系列を生成する手段とを有する
ことを特徴とする音声復号化装置が得られる。

（作用） ｐ次の内挿予測係数｛a_i｝を音声波形ｓ（ｎ）の特性
に適応して定めるときの評価関数は次のようになる。

（１）式を最小にする｛a_i｝は、次の連立方程式の解
として定まる。

（２）式の左辺は、テプレッツ（Toeplitz）形の行列
とハンケル（Hankel）形の行列との和になっている。即
ち、テプレッツ行列要素を行列Ｔで、ハンケル行列要素
を行列Ｈで表わし、｛a_i｝を成分にもつ列ベクトルを
ａ、｛ｒ（ｉ）｝,i＝1,…,pを成分にもつ列ベクトルを
ｒとおくと、（２）式は、 （Ｔ＋Ｈ）ａ＝ｒ （３） となっている。尚、行列ＴとＨの（i,j）成分は、 Ｔ_i,j＝ｒ（ｉ−ｊ）,H_i,j＝ｒ（ｉ＋ｊ） （４） である。（３）式を解く効率的な計算法は1982年アイ・
イー・イー・イー、エー・エス・エス・ピー、ボリュー
ム30、40頁から44頁（IEEE,ASSP,Vol.30,p.40−p.44,19
82）に掲載されている“イフィシャント ソルーション
オブ ア テプレッツ−プラス−ハンケル コイフィ
シェント マトリクス システム オブ イクエイショ
ン（Efficient Solution of a Toeplitz−Plus−Hankel
Coefficient Matrix System of Equations）”（文献
４）に詳しい。文献４にしたがって、反転行列 Ｊ＝δ（ｐ＋１−ｉ−ｊ）、δ：クロネッカーのデルタ
（５） を導入し、（３）式をTa ＋Hj・Ja＝ｒ （6a）JTJ ・Ja＋JHa＝Jr （6b） と２つの行列形式に書き換えると、反転行列の性質から
HJ、JH、JTJの各行列はテプレッツ行列となるから、｛a
_i｝は次のようなブロック・テプレッツ行列型の連立方
程式から定まる。

ここで、 （７）式の｛x_i｝を求める解法は文献４以外にも種々
与えられているが、ここでは、被内挿予測サンプルと被
内挿予測サンプルから等距離に位置する過去並び未来と
の音声サンプルの間にある全ての音声サンプルによる内
挿予測値との相互相関係数を介して内挿予測係数を求め
る解法を考える。この相関係数は、文献２における偏自
己相関係数に相当し、物理的に（内挿）予測値と（内
挿）予測誤差との相互相関といった性質をもち、内挿予
測係数より効率良く量子化できる。本明細書では、この
係数を変形相関係数とよぶ。

今、求める変形相関係数を｛k_n｝とすると、｛k_n｝は
以下のような逐次アルゴリズムで計算できる。

［アルゴリズム］ ｘ_0,1＝［１ ０］^t,x_0,0＝［０ ０］^ｔ 以下からをｎ＝1,…,p−１まで繰り返す。

K_n+1＝W_n/U_n U_n+1＝U_n−K_n+1・W_n ｘ_ｎ＋1,1＝ｘ_n,1・ｘ_{n,n＋１−ｉ} ｘ_n,1＝［１ ０］^t,x_n,0＝［０ ０］^ｔ W_n+1・［１ １］＝Σ R_n+2-i ｘ_n,1 但し、 で最終的に、 k_i＝［１ ０］・K_i＝［１ ０］^ｔ と変形相関係数｛k_i｝を求める。k_iが変形相関係数
｛k_i｝から内挿予測係数｛a_i｝を求めるには、上記アル
ゴリズムにあるの関数を用いて、｛k_n｝から
｛ｘ_n,1｝を計算した後、 a_i＝［１ ０］・ｘ_p,i として計算される。

一方、上記アルゴリズムで定まる｛a_i｝に対する内挿
予測誤差ｅ（ｎ）は次式に従い計算される。

にしたがって、ｅ（ｎ）から再生信号ｓ（ｎ）を生成
するには、 なる逆行列を介した計算をすればよい。この逆行列はテ
プレッツ行列の逆行列であるので容易に計算出来る。
尚、Ｎはフレーム長である。上記（11）式の合成方法
は、フレーム単位なので、フレーム境界で処理の不連続
が生ずる。しかし、内挿誤差信号の列ベクトルとして ［ｅ（−ｐ）…ｅ（−１）ｅ（０）ｅ（１）…ｅ（Ｎ −１）ｅ（Ｎ）…ｅ（Ｎ＋ｐ−１）］^ｔ をとり、 と合成すると、フレーム間の不連続性を解消することが
できる。

第１図に本願の第１の発明の原理図を示す。10で入力
信号ｓ（ｎ）の自己相関関数ｒ（ｊ）をｊ＝0,…,2pま
で計算し、20では、前記アルゴリズムのからに従っ
て変形相関係数｛k_i｝と内挿予測係数｛a_i｝とを求め、
｛k_i｝を40へ、｛a_i｝を30へ出力する。30では求まった
内挿予測係数｛a_i｝からｓ（ｎ）の内挿予測誤差ｅ
（ｎ）を計算する。40は変形相関係数｛k_i｝から内挿予
測係数｛a_i｝を求め、50へ送る。50は40から供給される
内挿予測係数｛a_i｝と30から供給される内挿予測誤差信
号ｅ（ｎ）とから前記（11）式或いは（12）式に従い再
生信号ｓ（ｎ）を定める。

以上で、本発明の原理に関する説明を終える。

（実施例） 第２図（ａ）及び（ｂ）は本願の第１の発明を実施す
るのに用いる音声符号化装置および音声復号化装置をそ
れぞれ示すブロック図であり、本図（ａ）の音声符号化
装置は本願の第２の発明の一実施例でもあり、本図
（ｂ）の音声復号化装置は本願の第３の発明の一実施例
でもある。まず、第２図（ａ）の音声符号化装置につい
て説明する。図において、100は入力端子で、一定間隔
毎にＮサンプルの離散音声信号系列ｓ（ｎ）を入力し、
バッファメモリ110へ供給する。120はｓ（ｎ）の自己相
関関数計算器で、バッファメモリ110からｓ（ｎ）を受
け、予め定められた予測次数ｐの２倍までの自己相関関
数ｒ（ｉ）、ｉ＝1,…,2pを求める。130は変形相関係数
計算器で、自己相関関数ｒ（ｎ）をもとに、前に（作
用）の欄で示したアルゴリズムからを用いて変形相
関係数｛k_i｝をもとめる。140は｛k_i｝の量子化器で、
内挿予測フィルタが安定なように（例えば、|k_i|＜1/2
ならば安定）｛k_i｝を量子化して、それを変形相関係数
を内挿予測係数に変換する内挿予測係数変換器150と変
形相関係数の符号器180とへ出力する。内挿予測係数変
換器150は前記アルゴリズムの、を用いて｛a_i｝を
計算し、内挿予測誤差計算器160へ出力する。内挿予測
誤差計算器160は、バッファメモリ110から信号ｓ（ｎ）
を入力し、内挿予測係数変換器150から入力する内挿予
測係数｛a_i｝に応じた内挿予測誤差ｅ（ｎ）を前記（1
0）式にしたがって計算する。量子化器90は内挿予測誤
差を量子化し、量子化されたｅ（ｎ）を符号器190へ出
力する。符号器180で符号化された変形相関係数｛k_i｝
と符号器190で符号化された内挿予測誤差はマルチプレ
クサ200で多重された後、送信端子210から受信側に送ら
れる。

本実施例の他に内挿予測誤差の量子化手段として、第
３図のような局所合成器をもったADPCM型のものも考え
られる。即ち、第３図では内挿予測誤差は１サンプルず
つ量子化される。図において、逆行列計算器93は前記
（12）式の左辺にある逆行列を計算する。局所合成器92
は、内挿予測誤差を蓄えているメモリ94の出力と逆行列
計算器93から供給される逆行列とから前記（12）式に従
い再生信号を合成する。ここで、メモリ94には、量子化
当該サンプルより過去に位置している内挿予測誤差はそ
れまで量子化されたものを、前記当該サンプルより未来
に位置する内挿予測誤差は内挿予測誤差計算器160で計
算される量子化されていないものが記憶されている。再
生された信号とバッファメモリ110にある入力信号と誤
差は量子化器91で量子化され、符号化器190へ送られ
る。

尚、これまで述べた実施例の量子化構成は、符号化側
と復号化側の処理が異なり、原信号と再生信号との平均
二乗誤差最小の意味では最適ではない。もし、最適な量
子化器の構成を狙うなら、特願昭60−122960号にあるよ
うに、内挿予測フィルタのインパルス応答を直交信号系
列に変換する構成をとるか、または、内挿予測誤差信号
にベクトル量子化を適用し、原信号と再生信号との誤差
を最も小さくする内挿予測誤差信号を検索する方法が適
用できる。

次に第２図（ｂ）に示す音声復号化装置について説明
する。図において、デマルチプレクサ310は、受信端子3
00から符号系列を入力し、入力した符号系列のうち内挿
予測誤差を表わす符号系列を復号器330へ、変形相関係
数を表わす符号系列を復号器320へそれぞれ出力する。
内挿予測係数変換器340は、復号器320で復号された変形
相関係数｛k_i｝から前記アルゴリズムととをもちい
て内挿予測係数｛a_i｝をもとめる。逆行列計算器350は
内挿予測係数から前記（11）式の逆行列を計算する。再
生信号発生器360はメモリ370から入力される予測誤差信
号と逆行列計算器350で求めた逆行列とをもちい、前記
（11）式に従い再生信号ｓ（ｎ）を求め出力端子380を
介して出力する。

以上で、本発明の実施例についての説明をおえる。

（発明の効果） 本願の第１の発明は内挿予測符号化に関し、内挿予測
係数を入力信号に適応的に求めることと、内挿予測係数
の量子化に関し内挿予測係数を量子化効率のよい係数に
変換して量子化することに特徴がある。このような構成
は、音声波形のような時間特性が短時間ごとに変動する
非定常信号系列に対しても高い内挿予測効率を提供でき
るばかりでなく、従来の考慮に入れられていなかった内
挿予測パラメータの効率的な量子化法を構築できるとい
う効果がある。本願の第２及び第３の発明は、本願の第
１の発明の方法を実施する符号化装置および復号化装置
をそれぞれ提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願の第１の発明の原理を示すブロック図、第
２図（ａ）は本願の第２の発明の一実施例を示すブロッ
ク図、第２図（ｂ）は本願の第３の発明の一実施例を示
すブロック図、第３図は本願の第２の発明である符号化
装置の別の実施例を示すブロック図である。 １……信号入力、２……信号出力、10……自己相関計
算、20……変形相関係数計算、30……内挿予測誤差計
算、40……内挿予測係数変換、50……信号再生、91……
予測誤差信号量子化器、92……局所合成器、93……逆行
列計算器、94……メモリ、95……減算器、96……加算
器、100……信号入力端子、110……バッファメモリ、12
0……自己相関計算器、130……変形相関係数計算器、14
0……変形相関係数量子化器、150……内挿予測係数変換
器、160……内挿予測誤差計算器、180……変形相関係数
符号化器、190……内挿予測誤差符号化器、200……マル
チプレクサ、210……符号出力端子、300……符号入力端
子、310……デマルチプレクサ、320……変形相関係数復
号器、330……内挿予測誤差復号器、350……逆行列計算
器、360……再生信号発生器、380……出力端子。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内挿予測符号化の内挿予測係数の符号化復
   号化方法において、符号化側では、被内挿予測サンプル
   から内挿予測次数分離れた過去と未来との音声サンプル
   間にある音声サンプルを用いて内挿予測した予測値と被
   内挿予測音声サンプル値との相互相関を変形した変形相
   関係数系列と前記変形相関係数系列に対応して定まる内
   挿予測誤差信号系列とを求め、復号化側では、前記変形
   相関係数系列を内挿予測係数に変換し、前記内挿予測誤
   差信号系列と前記内挿予測係数とから再生音声信号系列
   を生成することを特徴とする音声符号化復号化方法。
2. 【請求項２】入力した一連の離散音声信号系列を内挿予
   測符号化する音声符号化装置において、被内挿予測サン
   プルから内挿予測次数分離れた過去と未来との音声サン
   プル間にある音声サンプルを用いて内挿予測した予測値
   と被内挿予測音声サンプル値との相互相関を変形した変
   形相関係数系列を求める手段と、前記変形相関係数を量
   子化する手段と、前記量子化された変形相関係数系列と
   前記離散音声信号系列とから内挿予測誤差信号系列を求
   める手段と、前記内挿予測誤差信号系列を量子化する手
   段と、前記変形相関係数系列と前記内挿予測誤差信号系
   列とを表わす符号系列を出力する手段とを有することを
   特徴とする音声符号化装置。
3. 【請求項３】変形相関係数と内挿予測誤差とを表わす符
   号系列を入力する手段と、前記変形相関係数系列を表わ
   す符号系列と前記内挿予測誤差信号系列を表わす符号系
   列とを復号する手段と、前記復号された変形相関係数系
   列と前記復号された予測誤差信号系列とから再生信号系
   列を生成する手段とを有することを特徴とする音声復号
   化装置。