JP2948024B2 - 波形符号化/復号化方法及びその装置 - Google Patents

波形符号化/復号化方法及びその装置

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JP2948024B2 JP4164832A JP16483292A JP2948024B2 JP 2948024 B2 JP2948024 B2 JP 2948024B2 JP 4164832 A JP4164832 A JP 4164832A JP 16483292 A JP16483292 A JP 16483292A JP 2948024 B2 JP2948024 B2 JP 2948024B2
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  • Transmission Systems Not Characterized By The Medium Used For Transmission (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアナログ信号をデ−タ圧
縮する波形符号化/復号化方法及びその装置に関し、特
にオ−ディオ及びビデオ信号などのアナログ信号の伝送
のとき、デ−タを圧縮してデ−タ量を縮小させることに
より、メモリ容量を減少させることができる波形符号化
/復号化方法及びその装置に関する。
【0002】
【発明の背景】最近、最も良く知られている波形符号化
方法として、パルス符号変調(Pulse Code
Modulation;以下、PCMという)方式があ
る。ところで、このPCM方式を実現するための通信シ
ステムは、概略すると、サンプラ−、送信側の量子化器
と符号化器(エンコ−ダ)との組み合わせからなるA/
D変換器、受信側の量子化器と復号器(デコ−ダ)との
組み合わせからなるD/A変換器、及びフィルタ等から
構成される。
【0003】このように構成されたPCM通信システム
の波形変調方法をみると、先ず入力されたアナログ信号
をサンプラ−によりサンプリングした後、量子化器によ
り量子化する。サンプリングは、周波数の幅が制限され
た信号(最大周波数fm(Hz)以上になる成分のない
信号)をサンプリング間隔T(ナイキストサンプリング
間隔1/2fm秒)にてサンプリングする。
【0004】次に、この様にして得た矩形波信号を量子
化するために、いくつかのステップに分離し、各ステッ
プ中央の所定準位に量子化する。このとき、各瞬間毎に
量子化された信号は元の信号に一番近い量子化準位を有
するようになる。このように、パルスをパルス値に応じ
て区分(量子化)し、区分されたパルスを符号化する符
号化器(エンコ−ダ)を介して各々の標本に対する単位
パルスの有効な組み合わせとして符号化し、伝送する。
【0005】そして、デジタル化により符号化された信
号が受信側に到達すると、伝送される間に付加された雑
音から信号を分離して量子化器で各パルス区間における
パルスの有無、及び電位差を比較・判定し、その結果を
再生されたパルス列の形態にして復号器へ送る。D/A
変換器では、符号化器とは逆の動作により量子化された
標本パルス配列を出力し、規定帯域外に存在する周波数
成分を除去するためにフィルタリングして図6の信号波
形に復元する。
【0006】この様なPCM通信方式は、一つの標本化
された信号を送るのにいくつかのパルス信号が必要であ
るため、同一の情報を送るに際して他のパルス変調方式
より多くのデ−タ量が必要である。又、この方式は、元
の信号に一番忠実に再生波形を復元できる反面、サンプ
リングする度にその値を量子化するに必要なビット数の
デ−タ量が発生するため、デ−タ量の面から好ましくな
かった。
【0007】すなわち、音声信号で、8KHzおきにサ
ンプリングして8ビットに量子化する場合、1秒に64
kビットものデ−タ量となり、信号再生が一番正確では
あるが、多くのデ−タ量を発生してしまう。このため、
信号を大きく変えない範囲でデ−タ量を縮小させること
ができる通信方式が必要となった。以上の理由で、現
在、適応形デルタ変調(Adaptive Delta
Modulation;以下、ADMという)方式が
使われつつある。
【0008】ADM方式は、元の信号の波形の変化に応
じて再生波形のステップの幅を変化できるようにした方
式であり、ADM方式により形成された信号波形を元の
信号波形に近付かせるために、ステップ値を必要なだけ
増加、又は減少させている。すなわち、k番目のクロッ
ク波形の端部(波形がハイかロ−に変わる点)でステッ
プの方向が端部の点(k−1)と同様であると、基本ス
テップ値だけステップ値を増加させ、ステップの方向が
端部の点(k−1)と反対方向であると、基本ステップ
値だけステップ値を減少させ、又、ステップの方向が一
定しているとステップ値を維持させ図7に示した波形に
再生する。この様な適応形デルタ変調(ADM)方式
は、サンプリング間の相関が極めて高いので、サンプリ
ング周期を充分に狭めると、1ビット量子化による情報
圧縮が可能である。従って、1サンプルデ−タあたり1
ビットしか必要としないため、32kHzの周波数の信
号によるサンプリングの場合には32kビット/秒、す
なわち1秒の信号に対して32kビットのデ−タ量しか
発生しないので、PCM方式に比べてデ−タ量を1/2
に縮小することができる。
【0009】しかし、この方式では元の信号の急激な変
化に再生信号が追いつかないため、スロ−プオ−バ−ロ
−ド(slope overload)歪みが発生し、
又、元の信号の変化が遅い部分あるいは変化が極めて少
ない部分でも再生波形が0、1、0、1を繰り返すグラ
ニュ−ラノイズ(Granular Noise)が発
生して、元の信号の波形への再生を難しくする問題点が
あることに気付いた。
【0010】
【発明の開示】本発明の第1の目的は、元の信号に忠実
に波形を復元することが出来、かつ、デ−タ量の縮小が
可能な波形符号化/復号化の技術を提供することであ
る。本発明の第2の目的は、デ−タ記憶メモリの容量を
縮小することができ、同時により多くの情報を通信チャ
ンネル上に伝送することができる波形符号化/復号化の
技術を提供することである。
【0011】この本発明の目的は、入力されたアナログ
信号を最小標本化率でサンプリングし、所定値に量子化
して符号化する工程と、前記符号化された信号のうち、
一定レベル以下の信号をゼロ値に置換する検波工程と、
前記検波工程から信号の各サンプル毎に隣接した三つの
サンプル値を比較し、極値情報p(k)を求める工程
と、前記極値情報p(k)と、前記極値情報p(k)と
隣接した極値情報p(k−1)との間の距離情報(サン
プル数d(k))を求める工程と、前記極値情報p
(k)及び前記距離情報(サンプル数d(k))を伝送
する工程と、受信した前記極値情報p(k)及びp(k
−1)に基づいて、隣接した二つの前記極値情報p
(k)と前記極値情報p(k−1)との間の差信号Ap
p(k)=p(k)−p(k−1)を求める工程と、前
記差信号App(k)と前記距離情報(サンプル数d
(k))とに基づいて、ステップ値st(k)=App
(k)/d(k)を求める工程と、前記極値情報p
(k)と前記極値情報p(k−1)との間の補間値IN
P(k,n)=INP(k,n−1)+st(k)(n
は1<n<d(k)である整数であり、INP(k,1
)=p(k−1)である)を求め、前記極値情報p
(k)と前記極値情報p(k−1)とを直線補間する工
程とを有することを特徴とする波形符号化/復号化方法
によって達成される。
【0012】そして、この波形符号化/復号化方法は、
信号の最大周波数を超過する周波数成分をカットする第
1のフィルタ手段と、前記第1のフィルタ手段により帯
域制限されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、パ
ルス符号変調データを出力するA/D変換手段と、前記
A/D変換手段から出力されたデータのうち、所定レベ
ル以下のパルス符号変換データをゼロ値に変換して出力
する検波手段と、前記検波手段から出力された連続する
多数個のパルス符号変調データを受け入れるバッファ手
段と、前記バッファ手段から出力された連続する多数個
のデータを比較して極値情報を検出し、その極値情報を
出力する比較手段と、前記比較手段から極値情報が入力
されるとリセットされ、次の極値情報が検出されるまで
パルス符号変調データのサンプリング数をカウントし、
このカウント値を距離情報として出力するカウンタ手段
と、前記比較手段の極値情報と前記カウンタ手段の距離
情報とを多重化して順次出力するマルチプレクサと、前
記マルチプレクサの出力から前記極値情報と前記距離情
報とを分離して出力する分離手段と、前記分離手段から
出力された前記極値情報のうち連続した2個の極値情報
p(k)及びp(k−1)を記憶する第1のレジスタ
と、前記分離手段から出力された距離情報d(k)を記
憶する第2のレジスタと、前記第1のレジスタから出力
された連続する2個の極値情報の間で減算を行い、差信
号App(k)を出力する第1の演算手段と、前記第1
の演算手段の差信号App(k)と前記第2のレジスタ
から出力された距離情報d(k)との除算を行い、ステ
ップ値st(k)を出力する第2の演算手段と、前記第
1のレジスタから出力された2個の極値情報p(k)及
びp(k−1)、前記第2の演算手段から出力されたス
テップ値st(k)及び前記第2のレジスタから出力さ
れた距離情報d(k)から、極値情報p(k)と極値情
報p(k −1)との間の補間値INP(k,n)=IN
P(k,n−1)+st(k)(nは1<n<d(k)
である整数であり、INP(k,1 )=p(k−1)で
ある)を求め、前記極値情報p(k)と前記極値情報p
(k−1)とを直線補間する補間手段と、前記補間手段
の出力データをアナログ信号に変換するD/A変換手段
と、前記D/A変換手段の出力を平滑にするための第2
のフィルタ手段とを具備することを特徴とする波形符号
化/復号化装置によって実施できる。
【0013】すなわち、前記第1の演算手段と前記第2
の演算手段により極値情報p(k)、距離情報d
(k)、差信号App(k)を用いてステップ値st
(k)を算出し、このステップ値st(k)により補間
手段が再生デ−タを作りだすことにより、少ないデ−タ
量の発生で元の信号に忠実に波形を復元することが出来
る。
【0014】
【実施例】図1〜図5は本発明に係る波形符号化/復号
化技術の一実施例を示すもので、図1は本発明になる波
形符号化/復号化装置のブロック図、図2は本発明の波
形符号化/復号化の過程を示した波形図であり、図3は
距離情報と極値情報との関係を説明する一波形図、図4
は本発明の再生過程を示す波形図、図5は従来の再生波
形と本発明の再生波形との比較図である。
【0015】各図中、1は最大周波数を超過する周波数
成分をカットする帯域通過フィルタ(BPF)、2は標
本化された信号を量子化するA/D変換器、3は所定レ
ベル以下の信号を0に置換する検波手段としてのゼロ量
子化器、4はPCMデ−タを記憶・バッファリングする
PCMデ−タバッファ、5はPCMデ−タ値を比較する
比較器、6は隣接した極値と極値との間の距離をカウン
トするカウンタ、7は極値とカウント値を多重化して出
力するマルチプレクサ、8は多重化した情報を分離する
デマルチプレクサ、9は隣接した二つの極値情報を記憶
する第1のレジスタ、10は極値間の距離情報を記憶す
る4ビットの第2のレジスタ、11は隣接した二つの極
値情報の差を計算する計算器、12はステップ値計算
器、13は補間器(interpolater)、14
は補間されたデ−タをアナログ信号に変換するD/A変
換器、15は再生波形をより平滑にするためのスム−ジ
ングフィルタ(smoothing filter)で
ある。
【0016】そして、上記のように構成させた波形符号
化/復号化装置において、入力されたアナログ信号の最
大周波数(fm)を超過する周波数成分を、ナイキスト
理論に基づいて帯域通過フィルタ(BPF;Band
Pass Filter)1に通してカットした後、ナ
イキスト率1/2fm秒のサンプリング間隔で信号をサ
ンプリングする。続いてこのサンプリングされた信号を
A/D変換器2によりパルス値に応じた幾つかの段階に
区分して各ステップ毎に量子化した後、この量子化した
パルス値を2進法により符号化して「2」の補数形態の
デ−タを出力する。このとき、任意の(所定)レベル以
下のパルス符号変調値は、検波手段であるゼロ量子化器
3により0値に量子化して置換され、レベルが極めて微
弱な信号やノイズはカットされPCMデ−タは減少する
A/D変換器2から出力されたデ−タのうち、連続した
三つのデ−タは、シフトレジスタ機能を有するバッファ
手段であるPCMデ−タバッファ4に入力される。PC
Mデ−タバッファ4に入力された連続する三つのサンプ
ルs(n−1),s(n),s(n+1)はレジスタ4
a,4b,4cに記憶された後、比較器5に出力され
る。
【0017】比較手段である比較器5は、PCMデ−タ
バッファ4の各レジスタ4a,4b,4cから出力され
た連続する三つのデ−タが入力されて比較し、下記の式
(1)、(2)のような場合、 s(n−1)<s(n)>s(n+1) (1) s(n−1)>s(n)<s(n+1) (2) s(n)値を出力する。
【0018】ここで、s(n,n−1,n+1)はn,
n−1,n+1番目のPCMサンプル値を示し、出力さ
れたサンプル値s(n)は最大の極値Pu(k)または
最小の極値Pl(k)を示し、kは任意の値を示す。比
較器5より極値が検出されると、カウンタ6は、まずカ
ウントしていた値をリセットした後、各PCMサンプリ
ング毎にカウントして次の極値が検出される時までカウ
ントを続ける。このカウント値は隣接した極値と極値と
の間のサンプル数を示す距離情報d(k)としてマルチ
プレクサ7に入力される。
【0019】マルチプレクサ7は、比較器5から出力さ
れた極値情報p(k)と、カウンタ6の出力値である隣
接した極値と極値との間の距離情報d(k)とをマルチ
プレキシングし、下記のような順に伝送チャンネルや記
憶メモリに出力する。 p(0),d(1),p(1),d(2),p(2),
d(3)・・・ このように各PCMサンプリング毎に極値情報p(k)
と距離情報d(k)を得、そして伝送チャンネルやメモ
リに伝送された情報が受信側のデマルチプレクサ8に入
力されると、その情報は各々の情報に分離される。前記
デマルチプレクサ8により分離された極値情報は第1の
レジスタ9に記憶されるが、第1のレジスタ9は隣接し
た二つの極値情報p(k−1),p(k)を各々のレジ
スタ9b,9aに記憶し、4ビットの第2のレジスタ1
0は前記デマルチプレクサ8から分離された距離情報を
記憶する。
【0020】続いて、第1のレジスタ9から出力された
二つの隣接した8ビットの極値情報p(k−1),p
(k)は演算手段である計算器11に入力され、この計
算器11にて下記の式(3)のように計算される。 App(k)=p(k)−p(k−1) (3) その結果、8ビットの差信号デ−タApp(k)が出力
される。ここで極値情報p(k)、距離情報d(k)、
差信号デ−タApp(k)、サンプル値s(n,n−
1,n+1)の関係を図2に示す。
【0021】次に、計算器11からの出力値である差信
号デ−タApp(k)はステップ値計算器12に入力さ
れ、第2のレジスタ10の出力値である距離情報d
(k)との比が式(4)のように求められる。 st(k)=App(k)/d(k) (4) この比st(k)は、後で補間器13で再生デ−タを作
成するとき、正確度を高めるため、商は8ビット、余り
は4ビットで処理される。
【0022】結果的にステップ値計算器12ではステッ
プ値が求められるが、隣接した極値と極値との間の差信
号App(k)と距離情報d(k)との比st(k)
は、差信号App(k)がネガティブであればネガティ
ブ値、ポジティブであればポジティブ値を有する。この
値が補間器13に入力されると、補間器13では極値間
の補正データを生成する。
【0023】このような過程をより具体的に説明する
と、図3に示したように極値情報p(k)がp(0),
p(1),p(2),p(3),p(4),p(5)・
・・であり、距離情報d(k)がd(1),d(2),
d(3),d(4),d(5)・・・であれば、差信号
App(k)は、 p(1)−p(0)=App(1) p(2)−p(1)=App(2) p(3)−p(2)=App(3) p(4)−p(3)=App(4) ・ ・ ・ で示され、ステップ値情報st(k)
は App(1)÷d(1)=st(1) App(2)÷d(2)=st(2) App(3)÷d(3)=st(3) ・ ・ ・ で求められる。
【0024】これによる再生波形は、図4に示したよう
に、 a=INP(1.1)=p(0) b=INP(1.2)=INP(1.1)+st(1) c=INP(1.3)=INP(1.2)+st(1) d=INP(2.1)=p(1) e=INP(2.2)=INP(2.1)+st(2) f=INP(2.3)=INP(2.2)+st(2) g=INP(2.4)=INP(2.3)+st(2) h=INP(2.5)=INP(2.4)+st(2) i=INP(2.6)=INP(2.5)+st(2) j=INP(2.7)=INP(2.6)+st(2) k=INP(3.1)=p(2) で求められるa〜kを結んだものであり、各極値に対し
て距離情報d(k)だけ同様のことが行われ、隣接した
極値p(k)と極値p(k−1)とを結ぶ線形補間が行
われる。補間を行った後、結果として8ビット整数部と
4ビット小数部が発生するが、補間器13はデジタル信
号をアナログ信号に変換するために小数部は捨てて整数
部8ビットデ−タのみ出力する。
【0025】補間器13から出力された8ビット補間デ
−タは、A/D変換器2と逆の動作を行うD/A変換器
14でアナログ信号に変換された後、スム−ジングフィ
ルタ15を通してフィルタリングされる。このような過
程により元の信号に近い再生波形が作られる。すなわ
ち、図5のCで示す通り、従来のADM方式による再生
波形Bに比べて、元の信号Aに近い波形の信号が再生さ
れる。
【0026】本発明は信号が線形に近いと見做して行う
方法であるが、実際の信号は線形でなく、非線形の場合
が多いため、ステップ値を固定させないで関数的に変化
させると、本発明により非線形補間も行うことができ、
より元の信号に近く補間させることができる。
【0027】
【効果】ADM方式による再生波形と本発明による再生
波形とを比較したとき、本発明による再生波形が元の信
号の波形により近くなり、スロープオーバーロードエラ
ーやグラニューラノイズのような歪みも発生していな
い。又、全てのサンプリング毎にデータを有するPCM
方式とは異なり、ピーク値とサンプリング数のみを扱う
ので、データ量を減らすことができる。例えば、PCM
方式に比べてADM方式は1/2程度にデータ量を減ら
すことができるが、本発明は音声信号の場合には平均し
て1/5程度にデータ量を減らすことができ、ビデオ信
号の場合には平均して1/13程度にデータ量を減らす
ことを期待できる。
【0028】更に、信号をデジタル化した情報量が少な
いため、記憶メモリの容量を減らすことができ、ハ−ド
ウェアがより簡単になり、通信チャンネル上では伝送ラ
インの能力を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による波形符号化/復号化装置のブロッ
ク図である。
【図2】本発明による波形符号化/復号化の過程を示し
た波形図である。
【図3】本発明の実施例を説明するための波形図であ
る。
【図4】本発明の実施例による再生波形図である。
【図5】本発明による再生波形Cのシミュレ−ション図
である。
【図6】従来のパルス符号変調方式による再生波形図で
ある。
【図7】従来の適応形デルタ変調方式による再生波形図
である。
【符号の説明】
1 帯域通過フィルタ(BPF) 2 A/D変換器 3 ゼロ量子化器 4 PCMデ−タバッファ 5 比較器 6 カウンタ 7 マルチプレクサ 8 デマルチプレクサ 9 第1のレジスタ 10 第2のレジスタ 11 計算器 12 ステップ値計算器 13 補間器 14 D/A変換器 15 スム−ジングフィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 洪 在 範 大韓民国ソウル特別市陽川区新月7洞新 月アパート18 棟506号 (56)参考文献 特開 平3−192400(JP,A) 特開 平1−306900(JP,A) 特開 平4−138724(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力されたアナログ信号を最小標本化率
    でサンプリングし、所定値に量子化して符号化する工程
    と、 前記符号化された信号のうち、一定レベル以下の信号を
    ゼロ値に置換する検波工程と、 前記検波工程から信号の各サンプル毎に隣接した三つの
    サンプル値を比較し、極値情報p(k)を求める工程
    と、 前記極値情報p(k)と、前記極値情報p(k)と隣接
    した極値情報p(k−1)との間の距離情報(サンプル
    数d(k))を求める工程と、 前記極値情報p(k)及び前記距離情報(サンプル数d
    (k))を伝送する工程と、 受信した前記極値情報p(k)及びp(k−1)に基づ
    いて、隣接した二つの前記極値情報p(k)と前記極値
    情報p(k−1)との間の差信号App(k)=p
    (k)−p(k−1)を求める工程と、 前記差信号App(k)と前記距離情報(サンプル数d
    (k))とに基づいて、ステップ値st(k)=App
    (k)/d(k)を求める工程と、 前記極値情報p(k)と前記極値情報p(k−1)との
    間の補間値INP(k,n)=INP(k,n−1)+
    st(k)(nは1<n<d(k)である整数であり、
    INP(k,1 )=p(k−1)である)を求め、前記
    極値情報p(k)と前記極値情報p(k−1)とを直線
    補間する工程と を有することを特徴とする波形符号化/
    復号化方法。
  2. 【請求項2】 信号の最大周波数を超過する周波数成分
    をカットする第1のフィルタ手段と、 前記第1のフィルタ手段により帯域制限されたアナログ
    信号をデジタル信号に変換し、パルス符号変調データを
    出力するA/D変換手段と、 前記A/D変換手段から出力されたデータのうち、所定
    レベル以下のパルス符号変換データをゼロ値に変換して
    出力する検波手段と、 前記検波手段から出力された連続する多数個のパルス符
    号変調データを受け入れるバッファ手段と、 前記バッファ手段から出力された連続する多数個のデー
    タを比較して極値情報を検出し、その極値情報を出力す
    る比較手段と、 前記比較手段から極値情報が入力されるとリセットさ
    れ、次の極値情報が検出されるまでパルス符号変調デー
    タのサンプリング数をカウントし、このカウント値を距
    離情報として出力するカウンタ手段と、 前記比較手段の極値情報と前記カウンタ手段の距離情報
    とを多重化して順次出力するマルチプレクサと、 前記マルチプレクサの出力から前記極値情報と前記距離
    情報とを分離して出力する分離手段と、 前記分離手段から出力された前記極値情報のうち連続し
    た2個の極値情報p(k)及びp(k−1)を記憶する
    第1のレジスタと、 前記分離手段から出力された距離情報d(k)を記憶す
    る第2のレジスタと、前記第1のレジスタから出力され
    た連続する2個の極値情報の間で減算を行い、差信号A
    pp(k)を出力する第1の演算手段と、 前記第1の演算手段の差信号App(k)と前記第2の
    レジスタから出力された距離情報d(k)との除算を行
    い、ステップ値st(k)を出力する第2の演算手段
    と、 前記第1のレジスタから出力された2個の極値情報p
    (k)及びp(k−1)、前記第2の演算手段から出力
    されたステップ値st(k)及び前記第2のレジスタか
    ら出力された距離情報d(k)から、極値情報p(k)
    と極値情報p(k−1)との間の補間値INP(k,
    n)=INP(k,n−1)+st(k)(nは1<n
    <d(k)である整数であり、INP(k,1 )=p
    (k−1)である)を求め、前記極値情報p(k)と前
    記極値情報p(k−1)とを直線補間する補間手段と、 前記補間手段の出力データをアナログ信号に変換するD
    /A変換手段と、 前記D/A変換手段の出力を平滑にするための第2のフ
    ィルタ手段と を具備することを特徴とする波形符号化/
    復号化装置。
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