JP3235543B2 - 音声符号化／復号化装置 - Google Patents

音声符号化／復号化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音声情報の効率的
な圧縮符号化／復号化に利用される音声符号化／復号化
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ディジタル音声信号を中低ビ
ットレートに圧縮する方法としてＣＥＬＰ型音声符号化
／復号化装置が知られている。これは、M. R Schroeder
: Code Excited Linear Prediction (CELP) "High Qua
litySpeech at Low Bit Rate",Proc. IEEE ICASSP'85,
pp. 937-940 (1984)（文献１）を始めとする多くの文献
で開示されている。
【０００３】始めに、ＣＥＬＰ型音声符号化／復号化装
置における符号化方法を、図２を用いて説明する。図２
において、入力音声信号１０１に対してフィルタ係数分
析部１０２は、線形予測分析などを行って合成フィルタ
の係数を得、得られた合成フィルタの係数をフィルタ係
数量子化部１０３へ出力する。フィルタ係数量子化部１
０３は、入力された合成フィルタの係数を量子化して合
成フィルタ１０４へ出力する。合成フィルタ１０４は、
フィルタ係数量子化部１０３から供給されるフィルタ係
数を備えるもので、適応符号帳１０５からの出力である
適応ベクトル１０６に適応ゲイン１０７を乗じたもの
と、雑音符号帳１０８からの出力である雑音ベクトル１
０９に雑音ゲイン１１０を乗じたものとを用いた励振信
号１１１によって駆動される。なおここで、適応符号帳
１０５とは合成フィルタに対する過去の励振信号をピッ
チ周期毎に取り出した適応ベクトルを複数個格納した符
号帳であり、雑音符号帳１０７とは雑音ベクトルを複数
個格納した符号帳である。
【０００４】歪み計算部１１３は、励振信号１１１によ
って駆動された合成フィルタ１０４の出力である合成音
声信号１１２と入力音声信号１０１との間の歪みを算出
し、符号探索処理を行う。符号探索処理とは、歪み計算
部１１３で算出される歪みを最小化するための適応ベク
トル１０６の番号と雑音ベクトル１０９の番号を特定す
ると同時に、各出力ベクトルに乗じる適応ゲイン１０７
と雑音ゲイン１１０の最適値を算出する処理である。符
号出力部１１４は、フィルタ係数量子化部１０３から得
られるフィルタ係数の量子化値と、歪み計算部１１３に
おいて選択された適応ベクトル１０６の番号および雑音
ベクトル１０９の番号と、それぞれに乗じる適応ゲイン
１０７および雑音ゲイン１０９を符号化したものを出力
する。そして、符号出力部１１４から出力されたもの
が、伝送もしくは蓄積される。
【０００５】なお、歪み計算部１１３での符号探索処理
では、通常、まず励振信号中の適応符号帳成分の探索が
行われ、次に励振信号中の雑音符号帳成分の探索が行わ
れる。そして、上記雑音符号帳成分の探索においては、
以下に示す、（１）非直交化探索と（２）直交化探索が
知られている。
【０００６】（１）非直交化探索：（数１）の探索基準
値Ｅを最大化するような雑音ベクトルｃを特定する。
【０００７】
【数１】
【０００８】（２）直交化探索：（数２）の探索基準値
Ｅort（＝Ｎort／Ｄort）を最大化する雑音ベクトルｃ
を特定する。
【０００９】
【数２】
【００１０】直交化探索は、事前に特定された適応ベク
トルに対して候補となる雑音ベクトルをそれぞれ直交化
し、直交化した複数の雑音ベクトルから歪みを最小にす
るものを１つ特定する探索方法であり、非直交化探索に
比べて雑音ベクトルの特定精度を上げることができ、合
成音声信号の品質を向上できるという点に特徴を有して
いる。（直交化探索は、I. A. Gerson and M. A. Jasiu
k: " Vector Sum Excited Linear Prediction (VSELP)
Speech Coding at 8kb/s", proc. IEEE ICASSP'90, pp.
461-464 (1990) （文献２）などに開示されている。） しかし、直交化探索を導入すると、非直交化探索を行う
場合に比べて演算量が大きくなるため（（数２）の計算
の方が（数１）の計算に比べて煩雑であるため）、直交
化探索の導入の如何は、アプリケーション側からの要求
との兼ね合いによって決まることが多い。
【００１１】ところで、ＣＥＬＰ型音声符号化／復号化
装置の雑音符号帳が、少数本（３本から５本程度の場合
が多い）の単位パルス（振幅：+1／-1）の規則的な組合
せで作られた雑音ベクトルで構成されるＡｌｇｅｂｒａ
ｉｃ構造であることを特徴とするＡＣＥＬＰが知られて
いる。これは、 "8KBIT/S ACELP CODING OF SPEECH WIT
H 10 MS SPEECH-FRAME:A CANDIDATE FOR CCITT STANDAR
DIZATION", proc. IEEE ICASSP '94, pp. 97-100 (199
4) （文献３）などに開示されているもので、個々の雑
音ベクトルをパルスの位置と極性によって決定できるた
め、個々の雑音ベクトルを格納しておくためのメモリが
不要になることが特徴である。
【００１２】文献３を始めとする初期のＡＣＥＬＰで
は、雑音ベクトルの特定に要する演算量が膨大になるた
め、雑音符号帳の探索には直交化探索でなく非直交化探
索が用いられていた。これに対し、（数２）に基づく雑
音ベクトル特定の演算量を削減する方法の発明（池戸丈
太郎、片岡章俊：”Ａｌｇｅｂｒａｉｃ符号の直交化探
索を用いた低演算量ＣＥＬＰ音声符号化”：電子情報通
信学会 情報・システムソサイエティ大会 pp. 256 (19
95)（文献４）や特開平９-３４４９８（文献５）に開示
されている）がなされ、ＡＣＥＬＰにおいても直交化探
索が行われるようになってきている。文献４や文献５で
開示されている演算量を削減するための発明は、ＡＣＥ
ＬＰの雑音ベクトルが少数本の極性付きパルスのみによ
って構成されることを巧みに利用して、（数２）の探索
基準値の分子項（Ｎort） を以下の（数３）に変形する
方法の発明である。
【００１３】
【数３】
【００１４】（数３）のψの値を前処理として予め計算
し配列に展開しておけば、（数２）の分子項を、配列ψ
内の（Ｎ−１）個の要素を符号付き加算し、その結果を
２乗することで計算できることを示している。なお、分
母項については演算量を削減する対策が記載されていな
いが、以下の方法で計算が可能である。
【００１５】まず、（数２）の分母項を計算する際の前
処理として、以下の２つを処理を行う。
【００１６】（１）行列Ｎ算出：適応ベクトルを合成フ
ィルタで合成したベクトルのパワ（ｐtＨtＨｐ）と、合
成フィルタのフィルタ係数の自己相関行列（ＨtＨ） と
を計算し、上記自己相関行列の各要素に上記パワを乗じ
て行列Ｎ（＝（ｐtＨtＨｐ）ＨtＨ） を算出する。
【００１７】（２）配列ｒ算出：適応ベクトルを合成フ
ィルタで合成したベクトルを時間逆順化合成し、その結
果得られたベクトル（ｐtＨtＨ）を配列ｒに格納する。
【００１８】次に、（数２）の分母項（Ｄort） を、以
下の（数４）の様に展開することができるので、上記前
処理の結果得られた配列ｒと行列Ｎの要素を参照して、
分母項を計算する。
【００１９】
【数４】
【００２０】例として、入力音声信号のサンプリング周
波数を8000Hz、Ａｌｇｅｂｒａｉｃ構造の雑音符号帳探
索の単位時間幅（フレーム時間）を10ms、雑音ベクトル
が10msあたり５本の単位パルス（振幅：+1／-1）の規則
的な組合せで作成される場合について、（数４）に基づ
く分母項の計算方法を説明する。なおこの時、雑音ベク
トルを構成する５本の単位パルスは、表１に示した第０
から第４グループごとに規定される位置から１本ずつ選
択された位置にたつパルスによって構成されており、雑
音ベクトル候補ｃは、以下の（数５）によって記述され
るものとする。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【数５】
【００２３】この時、（数４）は、具体的には、以下の
（数６）によって計算できる。
【００２４】
【数６】
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】このような音声符号化
／復号化装置において、直交化探索を導入したＡｌｇｅ
ｂｒａｉｃ構造の雑音符号帳探索に要する演算量は、
（数２）の分子項の演算量を削減できる文献４もしくは
文献５の発明により削減されてきたが、より大幅な演算
量の削減が要求されている。
【００２６】そこで本発明は、雑音ベクトルが少数本の
単位パルス（振幅：+1／-1）の規則的な組合せで作ら
れ、かつ前記雑音ベクトル探索が直交化探索方法によっ
て行われる場合に、雑音符号帳をより少ない演算量で特
定できる音声符号化／復号化装置を提供することを目的
とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、入力音声信号、適応ベクトル、合成フィル
タの係数から算出した値を前処理段階で一度計算してメ
モリに展開しておき、メモリに展開した上記前処理結果
を利用することで、雑音符号帳成分を特定する際に計算
する（数２）の分母項の演算量を下げるように構成した
ものである。
【００２８】これにより、（数２）の探索基準値（Ｅor
t） を計算する際の分母項（Ｄort）の計算方法が（数
４）から以下の（数７）に置き換えられ、より少ない演
算量で雑音符号帳成分を特定することが可能になる。
【００２９】
【数７】
【００３０】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、ピッチ成分を表現する適応ベクトルと、雑音成分を
表現する雑音ベクトルと、入力音声信号を分析・量子化
して得られるフィルタ係数を備えた合成フィルタと、前
記適応ベクトルと前記雑音ベクトルを用いて前記合成フ
ィルタを駆動して得られる合成音声信号と前記入力音声
信号との歪み計算を行い、その歪みが最小となるような
適応ベクトルと雑音ベクトルをそれぞれ１つずつ特定す
る機能を有する歪み計算部とを備える音声符号化／復号
化装置において、前記歪み計算部が、前記適応ベクトル
を前記合成フィルタで合成した信号のパワと、前記合成
フィルタのフィルタ係数の自己相関行列とを計算して前
記自己相関行列の各要素に前記パワを乗じた行列Ｎを算
出する機能と、前記適応ベクトルを前記合成フィルタで
合成した信号を時間逆順化合成し、時間逆順化合成した
信号の外積をとって行列Ｍを算出する機能と、前記行列
Ｎから前記行列Ｍを差分して行列Ｌを生成する機能とを
併せ持つとともに、前記行列Ｌを用いて前記歪み計算を
行うことを特徴とする音声符号化／復号化装置であり、
特に、前記雑音ベクトルが少数本の単位パルス（振幅：
+1／-1）の規則的な組合せで作られ、かつ前記雑音ベク
トル探索が直交化探索方法によって行われる場合に、前
記行列Ｌの値を参照することで、合成音声信号と前記入
力音声信号との歪みを最小化する雑音ベクトルを少ない
演算量で特定できるという作用を有する。
【００３１】以下、本発明の実施の形態について、図１
を用いて説明する。 （実施の形態）図１は、本実施の形態における音声符号
化／復号化装置の歪み計算部の構成ブロック図であり、
図２の歪み計算部１１３に該当する。ただし、本実施の
形態における音声符号化／復号化装置は、図２の構成に
おいて、適応ベクトル１０６及び雑音ベクトル１０９を
歪み計算部１１３に入力した構成である。
【００３２】図１においては、入力される雑音ベクトル
について歪みを算出する際の前処理として、以下の３つ
の処理を行う。
【００３３】（１）行列Ｎ算出：適応ベクトルを合成フ
ィルタで合成したベクトルのパワ（ｐtＨtＨｐ）と、合
成フィルタのフィルタ係数の自己相関行列（ＨtＨ） と
を計算し、上記自己相関行列の各要素に上記パワを乗じ
て行列Ｎ（＝（ｐtＨtＨｐ）ＨtＨ） を算出する。
【００３４】（２）行列Ｍ算出：適応ベクトルを合成フ
ィルタで合成したベクトルを時間逆順化合成し、その結
果得られた信号（ｐtＨtＨ）の外積をとって行列Ｍを算
出する。
【００３５】（３）行列Ｌ生成：（１）で算出した行列
Ｎから、（２）で算出した行列Ｍを差分して行列Ｌを生
成する。
【００３６】また、（数２）の分母項（Ｄort） は（数
７）の様に展開することができる。したがって、上記前
処理により得られた行列Ｌと、雑音ベクトル１０９とを
用いて、分母項の計算を行うことができる。
【００３７】ここでは、簡単のため、入力音声信号のサ
ンプリング周波数を8000Hz、Ａｌｇｅｂｒａｉｃ構造の
雑音符号帳探索の単位時間幅（フレーム時間）を10ms、
雑音ベクトルが10msあたり５本の単位パルス（+1／-1）
の規則的な組合せで作成される場合について、（数５）
に基づく分母項の計算方法を説明する。なおこの時、雑
音ベクトルを構成する５本の単位パルスは、（表１）に
示した第０から第４グループごとに規定される位置から
１本ずつ選択された位置にたつパルスによって構成され
ており、雑音ベクトル候補ｃは以下の（数８）によって
記述できるものとする。
【００３８】
【数８】
【００３９】このとき、（数７）の分母項（Ｄort）
を、以下の（数９）によって求めることが可能となる。
【００４０】
【数９】
【００４１】また、分子項（Ｎort） は、歪み計算部１
１３において、入力音声信号１０１、合成フィルタ１０
４のフィルタ係数、適応ベクトル１０６、雑音ベクトル
１０９を（数２）に適用することにより、計算すること
ができる。
【００４２】以上のように、分母項を直接計算する（数
６）の場合に比べて、（数６）の右辺第２項分の演算量
を大幅に削減することが可能になるため、探索基準値
（Ｅort） の計算量を極めて低減することができる。
【００４３】なお、本実施の形態を含めたこれまでの説
明は、雑音符号帳探索時に予備選択を行わない場合につ
いてのものであるが、（数２）の分子項を大きくなるす
るような雑音符号帳を複数個予備選択した後に、複数個
に絞り込まれた雑音ベクトルについて（数２）を計算す
る際に本発明を適用しても、同様の効果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ピッチ成
分を表現する適応ベクトルと雑音成分を表現する雑音ベ
クトルとを用いて合成フィルタを駆動する音声符号化／
復号化装置において、雑音符号帳が少数本（３本から５
本程度の場合が多い）の単位パルス（振幅：+1／-1）の
規則的な組合せで作られる雑音ベクトルで構成されたＡ
ｌｇｅｂｒａｉｃ構造で、かつその雑音符号帳の探索が
直交化探索方法によって行われる時、候補となる雑音ベ
クトルそれぞれについて算出する直交化探索の基準値
を、より少ない演算量で算出することが可能となり、計
算量を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における音声符号化／復
号化装置の歪み計算部の構成ブロック図
【図２】従来の音声符号化／復号化装置における符号化
部分の構成ブロック図
【符号の説明】
１０１ 入力音声信号 １０２ フィルタ係数分析部 １０３ フィルタ係数量子化部 １０４ 合成フィルタ １０５ 適応符号帳 １０６ 適応ベクトル １０７ 適応ゲイン １０８ 雑音符号帳 １０９ 雑音ベクトル １１０ 雑音ゲイン １１１ 励振信号 １１２ 合成音声信号 １１３ 歪み計算部 １１４ 符号出力部
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G10L 19/00 - 19/14 H04B 14/04 H03M 7/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピッチ成分を表現する適応ベクトルと、
    雑音成分を表現する雑音ベクトルと、入力音声信号を分
    析・量子化して得られるフィルタ係数を備えた合成フィ
    ルタと、前記適応ベクトルと前記雑音ベクトルを用いて
    前記合成フィルタを駆動して得られる合成音声信号と前
    記入力音声信号との歪み計算を行い、その歪みが最小と
    なるような適応ベクトルと雑音ベクトルをそれぞれ１つ
    ずつ特定する機能を有する歪み計算部とを備える音声符
    号化／復号化装置において、前記歪み計算部が、前記適
    応ベクトルを前記合成フィルタで合成した信号のパワ
    と、前記合成フィルタのフィルタ係数の自己相関行列と
    を計算して前記自己相関行列の各要素に前記パワを乗じ
    た行列Ｎを算出する機能と、前記適応ベクトルを前記合
    成フィルタで合成した信号を時間逆順化合成し、時間逆
    順化合成した信号の外積をとって行列Ｍを算出する機能
    と、前記行列Ｎから前記行列Ｍを差分して行列Ｌを生成
    する機能とを併せ持つとともに、前記行列Ｌを用いて前
    記歪み計算を行うことを特徴とする音声符号化／復号化
    装置。
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