JP3150475B2 - 量子化方法 - Google Patents

量子化方法

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JP3150475B2
JP3150475B2 JP03071393A JP3071393A JP3150475B2 JP 3150475 B2 JP3150475 B2 JP 3150475B2 JP 03071393 A JP03071393 A JP 03071393A JP 3071393 A JP3071393 A JP 3071393A JP 3150475 B2 JP3150475 B2 JP 3150475B2
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M7/00Conversion of a code where information is represented by a given sequence or number of digits to a code where the same, similar or subset of information is represented by a different sequence or number of digits
    • H03M7/30Compression; Expansion; Suppression of unnecessary data, e.g. redundancy reduction
    • H03M7/3053Block-companding PCM systems
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B1/00Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/66Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission for reducing bandwidth of signals; for improving efficiency of transmission

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、送信あるいはディジタ
ル記憶媒体等に用いられるディジタル・オーディオ信号
の、ATRAC等のアルゴリズムの量子化方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】最近、広帯域オーディオ信号の圧縮アル
ゴリズムが、広く適用されるようになってきている。家
電分野では、ディジタル・コンパクト・カセット(DC
C)とミニ・ディスク・システム(MD)の2つの分野
で、それらの圧縮アルゴリズムが適用されている。DC
Cシステムは副帯域符号化に基づいた圧縮アルゴリズム
を使用するが、MDシステムは副帯域と変換符号化のハ
イブリッドに基づくアルゴリズムを使用し、変換符号化
部分がアルゴリズムのバックボーンを形成している。本
発明はMDシステムで使用する変換符号器の量子化に関
連したものである。
【0003】MDシステムは「ATRAC(ADAPTIVE TR
ANSFORM ACOUSTIC CODING)圧縮アルゴリズム」を使用す
る。このATRACアルゴリズムは、705.6kbi
t/s/チャネルのビット速度の入力オーディオ信号を
146.08kbit/s/チャネルのビット速度に圧
縮するものである。
【0004】図5にその符号化過程を実現するブロック
図を示す。入力時間信号はまず分割フィルターバンク
1、2、3を通過して、3つの周波数帯域の信号を得
る。低い方の2つの帯域はそれぞれ最も高い帯域の帯幅
の半分である。ブロックサイズ決定過程4は各々の帯域
について行われ、ウィンドウ化と変換過程5、6、7の
ためにサンプルサイズないしブロックモードを決定す
る。MDCT−H5、MDCT−M6,MDCT−L7
は、修正ディスクリートコサイン変換手段であって、時
間領域のディジタルオーディオ信号を周波数領域のスペ
クトルデータに変換するものである。その時間単位がブ
ロックサイズ決定過程4で決められる。そして、利用し
得る短ブロックモードないし長ブロックモードの得られ
る2つのブロックモードの1つが帯域の各々について選
択される。変換されたスペクトル・サンプルはユニット
にグループ化され、各々のユニットでは、ユニット8の
サンプルのピーク値から換算係数を導出する。それらの
ユニットは非均一な周波数間隔で、低周波数では間隔は
密接し、高周波数では間隔は広い。量子化10は、換算
係数と動的ビット割当モジュール9からのビット割当情
報を用いてサンプルに対して行う。
【0005】従来使用されている量子化器は、均一中間
トレッド量子化器である。元のスペクトルサンプル(A
SD)と量子化スペクトルサンプル(AS)の間の関係
は次により求められる。
【0006】
【数1】
【0007】ここでmはサンプル指標、SF[n]はユ
ニットnでの換算係数値、WL[n]はユニットnでの
語長ないしビット割当である。Trunc{x}は、x
の符号に関係なく小数点以下の桁を切り捨てることを意
味する。ここで、ユニットについて説明する。
【0008】オーディオ信号は修正ディスクリートコサ
イン変換MDCTによって、例えば256本の周波数ス
ペクトルに変換される。周波数スペクトルは、複数のユ
ニットにグループ化される。ユニットの例を図3に示
す。図3では、例えば256本のスペクトルを0から2
5の26個のユニットにグループ化している。ビット配
分データWL(u)は、図4に示すように、ユニット単
位で与えられる。図3及び図4の例では、1番目から8
番目のスペクトルは、同じビット配分データWL(0)
を共有し、9番目〜12番目のスペクトルは、WL
(1)を共有する。
【0009】図6はWL[n]=3の量子化器、即ち3
ビット量子化器を示したものである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、どの様な符
号化アルゴリズムでも量子化器は良好なオーディオ品質
を達成する際に重要な役割をする。信号を最終的に圧縮
するあるいはその圧縮形態で示されるのはこの段階であ
る。中間トレッド量子化器では、WLによりビットスト
リームで表される信号ステップの数は2WL−1により与
えられる。これは使用したWL数のビットについて1ス
テップのロス(loss)となる。このロスは、低レベル信号
を量子化器の1ステップを超過せずに何等かの予期せぬ
値の代わりにゼロに近似するという中間トレッド量子化
器の利点を開発するためには不可避である。ブロック圧
伸タイプの符号器の周波数間隔ないしユニットnについ
ての最大量子化誤差εは、次式により与えられる。
【0011】
【数2】
【0012】従来では、スペクトルサンプルは2WL−1
コードを用いて符号化する。しかし量子化器でのレベル
の分布が原因で、従来の最大量子化誤差は次のようにな
る。
【0013】
【数3】
【0014】これは、図6の従来の3ビット量子化器の
例示から見ることができる。換算係数により正規化され
た後、0.17から0.5の領域内にあるスペクトルサ
ンプルの場合を考えてみる。その最終的な逆量子化値
0.33で、これは0.17ないし1/6の最大正規化
誤差をもたらす。図7は、量子化器のレンジ(range)
に渡ってレベルを均等に配分した量子化器を示したもの
である。この量子化器を図6のものの代わりに使用する
と、最大正規化誤差は0.14ないし1/7となる。図
7の7ステップの中間トレッド量子化器では、8ステッ
プの中間ライズ(midrise)量子化器(図示せず)と比較
して量子化雑音が12.5%増加するが、図6の従来の
量子化器では、前記8ステップの中間ライズ量子化器と
比較して量子化雑音が25%増加する。すなわち、図6
の従来の量子化器では、図7の量子化器と比較して量子
化雑音が12.5%増加する。この量子化雑音の増大は
WL[n]が2に等しいときは実際上更に大きくなる。
この場合、25%迄の量子化雑音が生成され、あるいは
逆に一定の雑音レベルが達成されると、25%のチャ
ンネル容量が使用されることになる。このビットの非効
率的な使用は、2から3ビット割当がこの作動ビット速
度(146.08kbit/s)で最も頻繁に生じる割
当であることが経験上わかっていることから特に重大で
ある。更に、それらの2種類の割当は一般に、更に多く
のスペクトルサンプルをグループ化する高周波のユニッ
トで更に頻繁に生じる。これは量子化器のロスを更に
することになる。例えば高周波数のユニットが20ま
でのスペクトルサンプルでできており、このユニットに
2ビットが割り当てられていると、このユニットにより
使用されるビット数は40となり、その中でわずか20
ビットしか有用な情報を運んでいないことになる。10
ビットのロスはそれが中間トレッド量子化器であるとい
う事実から生じ、他の10ビットのロスは量子化器のダ
イナミック・レンジの非効率的な使用により生じてい
る。4ビット以上を使用する量子化については、ロスは
重要でなくなり、量子化ビット数が増加するにつれてロ
スは減少する。
【0015】本発明は、アルゴリズムの最初のビットス
トリーム構文に影響を与えずに同時に量子化器のロスを
削減することを目的とするものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は、所定の周波数
間隔内の全てのスペクトルサンプルを一定の係数で修正
し、修正されたスペクトルサンプルの最大値から間隔の
換算係数を求め、中間トレッド量子化器の全ダイナミッ
ク・レンジを使用する修正量子化器で間隔内の全てのス
ペクトルサンプルを量子化するものである。
【0017】また、本発明は、そのようなステップは、
所定の周波数間隔について強化が必要かどうかを判定
し、必要な場合に、実行するものである。
【0018】
【作用】本発明では、強化の影響が殆ど無視できる場合
に追加計算ステップを招かないように必要なときに量子
化器の出力を選別的に強化できる。更にスペクトルサン
プルを変更する方法そして強化ユニットの換算係数を通
して、ビットストリーム構文は同一に保たれ、強化の影
響は使用する復号器とは別個のものとなる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0020】図1は本発明の一実施例にかかる量子化方
法の強化方法を示したものである。
【0021】本実施例は次のステップで与えられる。 [1]全てのユニットが処理されたかどうかを調べる
(ステップ1)。イエスならば終了する。 [2]ユニットのビット割当がXより小さいかどうか調
べる(ステップ2)。Xの値は、強化の影響はビット割
当の増大、即ち表1に示すWLの増大により減少するの
で、例えば4か5に固定するか、表から選択すること
できる。
【0022】
【表1】
【0023】[3]WLがXより小さくない(not less
than)ならば、全てのスペクトルサンプルは従来の量子
化器で量子化する(式1)(ステップ3) [4]WLがXより小さい(less than)ならば、ユニッ
ト内の全てのスペクトルサンプルにkを掛け、修正スペ
クトルサンプルを求める(ステップ4)。kは次式で与
えられる。
【0024】
【数4】
【0025】修正スペクトルサンプルはASD’[m]
で示している。 [5] ユニット内の最大サンプルを次に探索し、新しい換
算係数指標を計算する(ステップ5)。 [6] このユニット内の全てのスペクトルサンプルを次
に、以下の関係を有する修正量子化器で量子化する(ス
テップ6)。
【0026】
【数5】
【0027】これらステップは全てのユニットが完了す
るまで繰り返される。本発明により実際上、図2に示す
ように、WL=3の場合の量子化器ダイナミック・レン
ジは±1から±1.17(ないし7/6)まで拡張され
る。この構文はビットストリーム内で受け入れられない
ものであるので、最初のビットストリーム構文を維持で
きるように、換算係数をk=1.17(ないし7/6)
で縮小しなければならない。換算係数のこのkの縮小
で、最大誤差εは次式より与えられる。
【0028】
【数6】
【0029】理論的には、量子化雑音の改善は常に得る
ことができるが、換算係数の量子化により、この改善の
効果は若干削減される。しかし極端な状況下でもεnew
≦εoldであることは理論的に証明できる。ここでεnew
は本発明の誤差でεoldは従来技術での誤差である。
【0030】本実施例の強化手法は、粗量子化、即ち3
ビット以下の量子化と節約が非常に重要な高周波数で特
に有効である。
【0031】なお、本発明は、上記実施例では、所定の
周波数間隔について強化が必要かどうかを判定し、必要
な場合に、上記各ステップを実行したが、そのような必
要が無い場合にも適用可能である。
【0032】また、本発明の量子化用のアルゴリズム
は、上記実施例では、ATRAC(適応的変換音響符号
化)アルゴリズムであったが、これに限られないことは
いうまでもない。
【0033】
【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明により、ビットストリーム構文を維持しつつ、オ
リジナルのMDシステムの量子化雑音を削減できる。逆
にこの強化手法により最初のシステムよりもチャネル資
源の有効な利用が可能になる。
【0034】本発明は、若干の計算ステップを必要とす
るが、その結果はオーディオの品質を十分向上させるこ
とが出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の本実施例の流れ図である。
【図2】本発明を用いた3ビット量子化器を示したもの
である。
【図3】本実施例におけるユニットとスペクトルレベル
との関係を示すグラフである。
【図4】本実施例におけるユニット番号とスペクトル本
数とビット配分データとの関係を示すグラフである。
【図5】従来技術の符号化過程のブロック図である。
【図6】従来の量子化器を用いた3ビット量子化器を示
したものである。
【図7】中間トレッド量子化器の全範囲を用いた3ビッ
ト量子化器を示したものである。
【符号の説明】
1:フィルタLMH 2:遅延 3:フィルタLM 4:ブロックサイズ決定 8:換算係数計算 9:動的ビット割当 10:量子化
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 7/30

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の量子化スペクトル成分のフレーム
    により示されるデジタルオーディオ信号の量子化に用い
    られる中間トレッド量子化器を強化する方法であって、 所定の周波数間隔内の全てのスペクトルサンプルに一定
    の係数を掛けることにより、修正スペクトルサンプルを
    求めるステップと、 前記間隔の換算係数を前記修正スペクトルサンプルの最
    大値から求めるステップと、 間隔内の全ての修正スペクトルサンプルを中間トレッド
    量子化器の全ダイナミック・レンジを使用する修正量子
    化器により量子化するステップとを有することを特徴と
    する量子化方法。
  2. 【請求項2】 所定の周波数間隔について強化が必要か
    どうかを判定し、必要な場合に、上記各ステップを実行
    することを特徴とする請求項1記載の量子化方法
JP03071393A 1993-02-19 1993-02-19 量子化方法 Expired - Lifetime JP3150475B2 (ja)

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