JP3498375B2 - ディジタル・オーディオ信号記録装置 - Google Patents

ディジタル・オーディオ信号記録装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ディジタル・オーディ
オ信号を符号化する方法、符号化されたオーディオ信号
を復号化する方法、これらの方法を実施する装置、およ
び、これに用いるメディアに関する。特定的には、本発
明は、広帯域のディジタル・オーディオ信号を符号化し
て記録媒体に記録する際、ある周波数帯域のオーディオ
信号成分については既存の再生装置で再生可能なように
符号化し、他の周波数成分については高能率符号化処理
して記録媒体に記録する装置、および、その記録媒体か
ら再生する装置に関する。また特定的には、本発明は、
広帯域のディジタル・オーディオ信号を符号化して伝送
路に送出する際、ある周波数帯域のオーディオ信号成分
については既存の受信装置で再生可能なように符号化
し、他の周波数成分については高能率符号化処理して伝
送路に送出する装置、および、その伝送信号を受信して
再生する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディジタル・オーディオ信号をコンパク
トディスク（ＣＤ）に記録・再生するＣＤ記録・再生装
置を例示する。現在、ＣＤ記録・再生装置において信号
処理に使用するサンプリング周波数は４４．１ｋＨZ で
あり、再生最高周波数はその周波数の半分の２２．０５
ｋＨZである。人間の耳の可聴音の周波数帯域は、１６
〜２０ｋＨZ 程度の範囲にあると言われており、通常、
普通の音はこの周波数範囲でＣＤに記録しておき、ＣＤ
から再生すれば充分である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記周
波数範囲では不十分な場合がある。たとえば、インドネ
シアの器楽合奏として知られているガムラン（gamelan)
や、ヨーロッパ・アルプス地域で歌われているヨーデル
ボイスといった音は、２０ｋＨZ を越える帯域の信号成
分を有しており、この高音を聞くことができる。それ
故、ガムランのような高域の音を含む音、または、広帯
域の音を符号化してＣＤに記録し、さらにＣＤから再生
する場合、サンプリング周波数４４．１ｋＨZ （再生最
高周波数２２．０５ｋＨZ ）では、正確にそのような高
域信号成分を含む音を符号化してＣＤに記録し、ＣＤか
ら再生することができない。
【０００４】そのような周波数帯域に関する問題は、現
在の電子技術を適用すれば解決できないものではない。
その解決案を例示する。たとえば、既存のＣＤおよびＣ
Ｄ再生装置との寸法的な互換性を考慮して、ＣＤの大き
さは変えずに、周波数帯域が広がる分だけＣＤの記憶容
量を実質的に高める。そのため、サンプリング周波数を
高くし、ＣＤのトラックピッチを狭くし、ピックアップ
の光源として短い波長のレーザを用いる。サンプリング
周波数を２倍程度に高めることは現在の技術に照らせば
容易である。ＣＤのトラックビッチもある程度狭くする
ことができる。この他にも、種々の解決案を考えること
ができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、もし上
述した解決案を採用すると、ＣＤ記録・再生装置の設計
変更、および、ＣＤの規格（フォーマット）の変更が必
要になる。その結果、すでに市場に出回っている大量の
ＣＤ再生装置との互換性がなくなることを意味し、ソフ
トウェア市場に混乱をもたらす。したがって、上述した
問題を解決する方法としては、単に現在の技術水準から
みて可能であるからといって、既存の秩序を乱してまで
採用する訳にはいかない。つまり、上述した問題を解決
するためには、既存の装置の有用性、互換性を考慮し、
ＣＤ自体の規格も維持させなければならない。
【０００６】上述した例は、記録媒体としてＣＤ、およ
び、その再生装置を例示したが、この例に限らず、非常
に広帯域のオーディオ信号をディジタル的に記録するそ
の他の記録媒体とその装置においても、上記同様の問題
が発生する。そのような記録媒体および装置としては、
たとえば、ビデオ信号とともにオーディオ信号も記録す
るレーザディスク（ＬＤ）とその再生装置、ディジタル
・オーディオ・テープ装置（ＤＡＴ）とそれに用いる磁
気テープ、ビデオ信号とともにオーディオ信号も記録す
るビデオ再生装置（ＶＴＲ）とそれに用いる磁気テープ
（ビデオテープ）などがある。また、記録媒体に記録
し、再生する場合に限らず、広帯域のディジタル・オー
ディオ信号を符号化して伝送し、受信側で再生する場合
も、上記同様の問題に遭遇する。
【０００７】本発明の目的は、現存するメディアの規格
（フォーマット）および現存する信号再生装置に対する
互換性および有用性を維持させつつ、広帯域のディジタ
ル・オーディオ信号を確実に、符号化し、復号化可能な
方法とその装置を提供することにある。また本発明の目
的は、上記装置に用いる記録媒体を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、ディジタル・
オーディオ信号を符号化し記録媒体に記録し、再生する
オーディオ信号記録・再生装置、ディジタル・オーディ
オ信号を符号化して伝送経路に送出し、受信オーディオ
信号を再生するオーディオ信号送信・受信装置に適用で
きる。本発明におけるオーディオ信号は、可聴音か不可
聴音かを問わない、つまり、周波数帯域を問わない。ま
た、本発明におけるオーディオ信号は、種々の音声、種
々の音響など、全ての音を含む信号を意味する。
【０００９】 本発明によれば、ワードとして表された
入力ディジタル・オーディオ信号を、既存の再生方法で
再生を行う第１の周波数帯域の信号成分を少なくとも１
つ含む複数のサブ帯域の信号成分に分割する帯域分割手
段と、前記第１の帯域の信号成分について、既存の再生
方法に適合する方法で変調を行ない第１の変調結果を生
成する第１の変調手段と、前記第１の周波数帯域以外の
分割された残りの第２の周波数帯域の信号成分につい
て、高能率符号化処理に基づいて変調して第２の変調結
果を生成する第２の変調手段と、第１の変調結果と第２
の変調結果とを統合してその結果を記録媒体に記録する
統合・記録手段とを有するディジタル・オーディオ信号
記録装置であって、前記第１の変調手段は、前記第１の
帯域信号成分を符号化して第１の変調結果を生成する第
１の符号化手段と、前記第１の帯域信号成分についてそ
の変調の程度を示す値に基づいてワードを分割するワー
ド分割手段と、該算出された値に基づいて、前記第１の
帯域の信号成分を変調するのに必要な第１のビット数を
算出する手段と、所定のビット長さに対する残りの総ビ
ット数を計算する残りの総ビット数計算手段とを有する
ディジタル・オーディオ信号記録装置が提供される。
【００１０】
【００１１】 好ましくは、前記第１の変調手段は、前
記入力オーディオ信号の全帯域を分割した複数のサブ帯
域情報を、ディジタル・オーディオ信号を表すワードを
分割した複数のサブワードを用いて変調する。
【００１２】また好適には、前記入力ディジタル・オー
ディオ信号は、複数のワードごとにブロックが構成さ
れ、複数のブロックの複数のワードを１単位として処理
される。
【００１３】
【００１４】特定的には、前記第１の符号化手段はスト
レートＰＣＭ変調を行う。
【００１５】好適には、前記ワード分割手段は時間領域
においてワードを分割する、または、周波数領域におい
てワードを分割する。
【００１６】時間領域においてワードを分割する場合、
好適には、前記ワード分割手段は、前記第１の帯域の信
号成分の許容雑音レベルを算出する回路と、該算出した
雑音レベルに応じたある比率でサンプルごとにワードを
分割する回路と有する、または、前記ワード分割手段
は、前記第１の帯域の信号成分の許容雑音レベルを算出
する回路と、前記入力されるオーディオ信号の１単位の
複数のワードについて、該算出した雑音レベルに応じて
平均的にワードを分割する回路とを有する。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【作用】ＣＤオーディオ信号記録・再生装置について例
示する。本発明は、広帯域をもつオーディオ信号の記録
に際して、オーディオ信号成分を、たとえば、高域信号
成分と低域信号成分とに２分割分割する。低域信号成分
から少なくとも１つの帯域の信号については、既存の再
生装置の流用性、既存のＣＤとの互換性を保つため、既
存の変調方式、たとえば、ストレート・パルス符号化変
調（Straight Pulse Coded Modulation:ＰＣＭ）処理を
行い、高域信号成分から少なくとも１つの帯域の信号に
ついては高能率符号を用いて符号化して記録媒体、つま
り、ＣＤに記録する。つまり、本発明においては、従来
のＣＤの再生帯域はストレートＰＣＭで、それ以上の帯
域は高能率符号を用いて、ＣＤの記憶容量内に収める。
【００２９】より具体的に述べると、本発明において
は、（１）広帯域信号をＱＭＦ(Quadrature Mirror Fil
ter)などの帯域分割フィルタを用いて、少なくとも２つ
のサブ帯域に分割し、（２）低域信号成分から少なくと
も１つの帯域はストレートＰＣＭ、（３）高域信号成分
から少なくとも１つの帯域をエントロピ符号化、非線形
量子化などの高能率符号化を行い、（４）ストレートＰ
ＣＭワードを聴覚的に冗長となるビット数で分割して、
それぞれの帯域信号を割り当てる。この際、ストレート
ＰＣＭの部分はもとのＰＣＭワードより短くなってしま
うため、ノイズシェーピング技術を用いて、もとのＰＣ
Ｍワード長相当のＳ／Ｎ比を実現することが望ましい。
本発明は、このように、全体で情報量の圧縮を図りつ
つ、低域信号成分の音質保って、高域信号成分も低域信
号成分とともに、符号化する。
【００３０】
【実施例】本発明のディジタル・オーディオ信号処理装
置の第１実施例として、記録媒体にＣＤ（コンパクトデ
ィスク）を用い、信号処理装置として、オーディオ信号
をＣＤに記録し、ＣＤからオーディオ信号を再生するＣ
Ｄディジタル・オーディオ信号記録・再生装置（以下、
ＣＤ記録・再生装置）を例示する。図１はＣＤ記録・再
生装置の主要部の構成図であり、図１（Ａ）はＣＤディ
ジタル・オーディオ信号記録装置（以下、ＣＤ記録装
置）の構成図、図１（Ｂ）はＣＤディジタル・オーディ
オ信号再生装置（以下、ＣＤ再生装置）の構成図であ
る。
【００３１】図１（Ａ）に図解したＣＤ記録装置は、帯
域分割フィルタ１、パワー算出回路２、必要ビット数計
算回路３、残りの総ビット数計算回路４、再量子化回路
５、エントロピ符号化回路６、合計ビット数計算回路
７、比較回路８およびビット再配分回路９を有する。太
い実線はストレートＰＣＭの流れを示す。したがって、
この流れの中に、ストレートＰＣＭを行う、第１の変調
回路（図示せず）が設けられている。帯域分割フィルタ
１で分割された低域のオーディオ信号成分は、図示しな
い第１の変調回路でストレートＰＣＭされ、このストレ
ートＰＣＭデータについて、パワー算出回路２、必要ビ
ット数計算回路３、残りの総ビット数計算回路４で、許
容雑音レベルを考慮したストレートＰＣＭ変調の程度を
判断する。
【００３２】太い破線は高能率符号化データの流れを示
し、細い破線はハフマンコードの流れを示し、細い実線
は再量子化ビット数などその他のデータの流れを示す。
帯域分割フィルタ１で分割された高域のオーディオ信号
成分は、再量子化回路５、エントロピ符号化回路６、合
計ビット数計算回路７で高能率符号化処理される。
【００３３】これら符号化されたデータがビット再配分
回路９でビット再配分されてオーディオ・ウェーブ（波
形）データとして出力される。また、再量子化回路５か
ら再量子化ビット数が出力され、エントロピ符号化回路
６からサブコードデータが出力されて、これらのデータ
がＣＤ（図示せず）に記録される。
【００３４】ＣＤ再生装置でＣＤに記録されたディジタ
ル・オーディオ信号を再生する。図１（Ｂ）に図解した
ＣＤ再生装置において、ＣＤから読み出したウェーブデ
ータについて、パワー算出回路１０、ワード分割回路１
１の系統でワード分割し、太い線で示したラインにおい
てストレートＰＣＭに対応する復調を行い、ストレート
ＰＣＭでオーディオ信号の低域成分を復号する。したが
って、この太いラインにストレートＰＣＭ復調回路（図
示せず）が設けられている。また、ＣＤから読み出した
サブコードおよび再量子化ビット数を用いて、エントロ
ピ復号化回路１３、増幅回路１４で高域成分を復号す
る。これら復号されたデータを帯域結合フィルタ１２で
結合して、元のオーディオ信号を再生する。帯域結合フ
ィルタ１２は帯域分割フィルタ１の逆回路となる。
【００３５】図１（Ａ）、図１（Ｂ）には、本発明の主
題となる信号処理系統を図解しており、本発明に直接関
与しない部分は図解していない。また、図１（Ａ）およ
び図１（Ｂ）は装置構成、つまり、ＣＤ記録装置および
ＣＤ再生装置として図解しているが、これらの装置構成
は信号処理の方法をも示している。
【００３６】図１（Ａ）に図解したＣＤ記録装置の動作
の詳細を述べる。既存のＣＤ再生装置において使用する
サンプリング周波数は４４．１ｋＨZ であるが、本実施
例のＣＤ記録・再生装置におけるサンプリング周波数
は、既存のＣＤ再生装置のサンプリング周波数の２倍の
周波数である８８．２ｋＨZ を用いる。したがって、本
実施例における最高再生周波数は４４．１ｋＨZ であ
る。帯域分割フィルタ１の入力端子には、既存のＣＤ再
生装置で再生の対象となる２２．０５ｋＨZ 以下のオー
ディオ信号はもとより、ガムラン、ヨーデルボイスなど
の２２．０５ｋＨZ を越える広帯域のオーディオ信号も
印加される。帯域分割フィルタ１において入力オーディ
オ信号を低域信号成分と高域信号成分との２つの周波数
帯域の信号成分に分割して出力する。低域信号成分は、
０〜２２．０５ｋＨZ の周波数帯域の信号であり、既存
のＣＤ再生装置で処理可能である。高域信号成分は２
２．０５〜４４．１ｋＨZ の周波数帯域の信号であり、
高域周波数成分は既存のＣＤ再生装置では処理できな
い。帯域分割フィルタ１で分離された低域周波数成分信
号は、パワー算出回路２、必要ビット数計算回路３、残
りの総ビット数計算回路４の経路でストレートＰＣＭ処
理される。帯域分割フィルタ１で分割された高域周波数
成分信号は、再量子化回路５、エントロピ符号化回路
６、合計ビット数計算回路７の経路で高能率符号化処理
される。ストレートＰＣＭ処理されたオーディオ信号と
高能率符号化されたオーディオ信号とがビット再配分回
路９において配分されて、ウェーブデータとしてＣＤに
記録される。エントロピ符号化回路６から出力されたサ
ブコード、再量子化回路５から出力された再量子化ビッ
ト数も、ＣＤ再生装置における再生のために、ＣＤに記
録される。
【００３７】図１（Ｂ）に図解したＣＤ再生装置の動作
を述べる。ＣＤ再生装置は、上述したように種々のデー
タが記録されているＣＤからウェーブデータ、サブコー
ドデータおよび再量子化ビット数を用いて、もとのオー
ディオ信号を再生する。ＣＤ再生装置における復号処理
は、ＣＤ記録装置における符号化処理と逆の処理にな
る。つまり、パワー算出回路１０、ワード分割回路１１
でウェーブデータから低域線分信号を再生し、エントロ
ピ復号化回路１３および増幅回路１４でサブコードデー
タおよび再量子化ビット数を用いて高域成分信号を再生
する。帯域結合フィルタ１２はこれら再生された信号を
結合する。
【００３８】以下、ＣＤ記録装置およびＣＤ再生装置の
さらに詳細を動作を述べる。図２は図１（Ａ）および図
１（Ｂ）に図解したＣＤ記録・再生装置で用いるＣＤの
データフォーマットを表す図であり、図２（Ａ）はオー
ディオ信号のブロック構成を示し、図２（Ｂ）はあるブ
ロック内の１フレームの構成を示し、図２（Ｃ）は１フ
レーム内のサブコードエリアの構成を示す図である。Ｃ
Ｄフォーマットは、１ブロック＝９８フレーム、１フレ
ームが３６バイトで構成されており、６サンプル／チャ
ンネルが基本単位である。先頭の２フレームはサブコー
ドの同期信号として使われているため、１ブロックでの
サンプル数は、（９８−２）フレーム×６サンプル／チ
ャンネル＝５７６サンプル／チャンネルである。サブコ
ードエリアは、音楽曲の頭の位置を示すサブコードＰ、
記録された曲のチャネル数、プリエンファシスの有無な
どの高度の機能を持たせるためのサブコードＱの他に、
サブコードＲ〜Ｗが設けられている。サブコードＲ〜Ｗ
はユーザーズビットと言われ、これらサブコードはユー
ザーが制御信号などに用いることができるが、本発明に
おいては、高能率符号化処理の情報を入れる。その詳細
は後述する。
【００３９】エントロピ符号化回路６におけるエントロ
ピ符号化は、有限個のシンボルをもつ情報出力に対し
て、生起確率の偏りを利用して発生頻度の高いシンボル
により短い符号語を割り当てることによって平均符号長
を短くする、純粋に統計的性質のみを利用した情報保存
形の符号化である。本実施例では、エントロピ符号化回
路６の好適例として、ハフマン符号化（Huffman Codin
g) を用いる。このハフマン符号化は、情報源の統計的
性質が既知の場合に最適な符号割当てを与えるものであ
り、シンボルに対する生起確率から帰納的に符号化を行
う。エントロピ符号化回路６におけるエントロピ符号化
のためにある程度長いサンプル数の入力データを要する
から、帯域分割フィルタ１に入力されるオーディオ信号
としては、再生時の実時間性やデータの読み取りやすさ
も考慮して、複数ブロック、たとえば、４〜８ブロック
程度を１ユニットとして入力する。
【００４０】入力オーディオ信号は、帯域分割フィルタ
１に入力されて、高域信号成分と低域信号成分とに分割
されるが、本実施例における分割フィルタの好適例とし
て、ＱＭＦ(Quadrature Mirror Filter)を用いる。ＱＭ
Ｆの詳細については、たとえば、「1976 R.E.Crochiere
Digital coding of speech in subbands 、Bell Syst.
Tech.J. Vol.55,No.8,1976」に詳しく述べられている。
帯域分割フィルタ１の分割フィルタ処理の前処理として
低域信号成分の量子化雑音の聴覚的な影響を減少させて
おく。この前処理は、限られた語長（シンボル）で記
録、再生、伝送等を行う場合、聴感的な音質の劣化をで
きるだけ防ぐことを目的として行う。量子化雑音のスペ
クトルを聴覚的特性に合わせて変更する方法としてはノ
イズシェーピング技術を応用したＳＢＭ(Super Bit Map
ping) が知られている。ＳＢＭについては、たとえば、
特開平2-020812号公報、特開平2-185552号公報、特開平
2-185556号公報などに詳しく述べられている。
【００４１】帯域分割フィルタ１におけるＱＭＦは、入
力オーディオ信号の周波数帯域を、２２．０５ｋＨZ で
２等分割し、サンプル数を１／２にデシメーションして
（低減させて）出力する。０〜２２．０５ｋＨZ 周波数
帯域を、低域と呼び、２２．０５〜４４．１ｋＨZ 周波
数帯域を高域と呼ぶ。このとき高域側の出力は低域側の
信号成分に折り返した形になる。帯域分割フィルタ１と
しては、ＱＭＦに限らず、Mark J.T. Smith and Thomas
P. Barnwell,"Exact Reconstruction Techniques for T
ree-Structured Subband Coders",IEEE Trans. ASSP,Vo
l. ASSP-34 No.3, June 1986,pp. 434-441 に述べられ
ている「ＣＱＦ(Conjugate Quadrature Filters)」、ま
たは、ICASSP 83,BOSTON Polyphase Quadrature filter
s - A new subband coding technique Joseph H.Rothwe
ilerに述べられている「等バンド幅のフィルタ」を用い
ることができる。
【００４２】帯域分割フィルタ１で分割された低域信号
成分の符号化処理について述べる。低域信号成分はスト
レートＰＣＭで符号化される。パワー算出回路２はワー
ド分割方法のために低域信号成分のパワー（電力）を算
出する。このパワー算出は、雑音成分の大きさを検出す
るためであり、パワーに代えて、絶対値、平均値などを
算出してもよい。以下、パワーを算出する場合について
述べる。
【００４３】ワード分割は本実施例では、２種類予定し
ている。第１のワード分割は、図３（Ａ）に図解したよ
うに、各サンプル毎のパワーに応じたある比率で、サン
プル毎、ワードを分割する方法である。第２のワード分
割は、図３（Ｂ）に図解したように、ユニット毎のパワ
ーに応じて平均的にワードを分割する方法である。図３
（Ａ）、図３（Ｂ）において、中抜きバーは低域信号成
分のストレートＰＣＭワード（シンボル）を示し、網点
バーは高域信号成分の符号化データワードを示す。
【００４４】パワー算出回路２におけるこれらの２つの
ワード分割方法を具体的に述べる。パワー算出回路２
は、各サンプルあるいはユニットのパワーを求め、その
パワーにおいて白色雑音レベルが聴感上どの程度まで許
容できるか、つまり、どのレベルまで雑音が混入したこ
とによる劣化が感じられないかを計算する。この入力信
号パワーに対する許容白色雑音レベルの対応付けは、パ
ワー算出回路２に記憶されているテーブルを用いて行
う。入力オーディオ信号の振幅が極めて小さいときには
殆ど白色雑音を許容できないが、高域の信号の振幅はさ
らに小さく、低域の信号よりもさらに聞き取れないこと
が予想されるので、このような場合には高域の情報を符
号化しないということも有り得る。
【００４５】ＣＤの量子化ビット数は１６ビットであ
る。つまり、１ワード＝１６ビットである。ダイナミッ
クレンジは約９８ｄＢである。ワードは２の補数表示で
その値が示されている。図４（Ａ）、図４（Ｂ）は１６
ビットのワードの分割構成を示しており、図４（Ａ）は
記録時におけるワードの構成を示し、図４（Ｂ）は再生
時におけるワードの構成を示す。必要ビット数計算回路
３は、パワー算出回路２でサンプル毎に算出したパワー
（図３（Ａ））、または、ユニット毎に算出したパワー
（図３（Ｂ））を元にして、ワードの最小有意義ビット
（the Least Significant Bit:LSB)側に雑音が重畳され
ても聴感上感じることのできない「最大許容ビット数
（ワード長）」を算出する。その値を示すのに最も支配
的なビットを最大有意義ビット(the Most Significant
Bit:MSB)といい、最も細かいメモリビットをＬＳＢとい
う。例えば、信号レベルが０ｄＢ（１６ビットフルスケ
ール) だったとして、この場合に白色雑音が最大−７４
ｄＢまで許容できたとすると、１ビットあたり約６ｄＢ
と換算すれば、４ビットまでは雑音がのっても聴感上聞
き取れないということになる。したがって、この場合、
図４（Ａ）に図解したように、１６ビットのワード長の
ＭＳＢ側を低域信号成分として１２ビット、ＬＳＢ側を
高域信号成分として４ビット割り当てることとする。こ
のようにしてワードは時間領域において２分割される。
【００４６】残りの総ビット数計算回路４は、必要ビッ
ト数計算回路３で算出した「最大許容ビット数（ワード
長）」をユニット単位で合計して、１ユニット内に高域
信号成分を記録するために割り当てることのできるビッ
ト数Ｂ（割当可能なビット数Ｂ）を算出する。このビッ
ト数値Ｂを上限として、高域信号成分が圧縮（符号化）
される。
【００４７】高域信号成分は低域信号成分のワードを分
割して記録する。高域信号成分は低域信号成分に比べて
信号レベルが小さいので、ストレートＰＣＭでも少ない
ビット数で表現可能である。再量子化回路５は１６ビッ
トのデータを少ないビット数で再量子化する。図５に示
すように、高域信号成分は、低域信号成分に比べて、パ
ワーが小さいので再量子化に１６ビットを必要とせず、
８ビット程度のビット数があれば十分量子化して表す
（符号化する）ことができる。再量子化回路５は、図６
（Ａ）、図６（Ｂ）に図解したように、まず、８ビット
で再量子化し、ストレートＰＣＭにおける情報量を少な
くする。再量子化回路５から出力する「再量子化ビット
数」は、図２（Ｃ）に示したサブコードのＲ〜Ｗに記録
する。
【００４８】エントロピ符号化回路６は、再量子化回路
５において再量子化したデータを圧縮符号化する。本実
施例ではエントロピ符号化として、ハフマン符号化を適
用する。エントロピ符号化の概要は上述した。ハフマン
符号化の概要についても上述したが、その詳細について
は、たとえば、D.A Huffman : A Method for Construct
ion of Minimum Redundancy Codes,Proc.I.R.E., 40,
p.1098 (1952)に詳しく述べられている。エントロピ符
号化回路６は各サンプル値に対応した符号を割り当てる
符号化テーブルを有しており、残りの総ビット数計算回
路４で算出した割り当てデータを用いて、再量子化回路
５で再量子化したデータを符号化する。エントロピ符号
化回路６における符号化テーブルは、複数のブロックか
らなる入力ディジタル・オーディオ信号の処理の１単位
（ユニット）毎に作成され、１ユニット中の各サンプル
値の出現頻度を計算しておき、出現頻度の高いサンプル
値には短い符号を割り当てるような対応をとる。
【００４９】エントロピ符号化回路６におけるエントロ
ピ符号化処理としては、ハフマン符号化のほかに、J.Zi
v,A.Lempel : A Universal Algorithm for Sequential
DataCompression,IEEE Trans. on Inform. Theory,Vol.
IT-23,No.3,pp.337-343,1977 に述べられている「Lempe
l-Ziv符号化」、または、F.Telinek : Buffer Overflow
in Variable Length Coding of Fixed Rate Sources,I
EEE Trans. Inform.Theory,Vol.IT-14,No.3,pp.490-50
1,1968 に述べられている「算術符号」といった符号化
方式を用いることができる。要するに、エントロピ符号
化回路６に代えて、再量子化回路５で再量子化したデー
タを高能率符号化処理する種々の符号化方法を用いるこ
とができる。その詳細は後述する。
【００５０】符号化テーブルはウエーブデータとは別に
ＣＤフォーマットの中で、通常未使用になっている（グ
ラフィックスデータとして使用されている場合もある)
、図２（Ｃ）に示したサブコードＲ〜Ｗに記録する。
図２に図解したように、サブコードは１フレームあたり
１バイト（８ビット）であるから、１ブロックあたり、
９８フレーム×８ビット＝７８４ビットある。このう
ち、サブコードＲ〜Ｗは、９８フレーム×６ビット＝５
８８ビットある。１ユニットを８ブロックとした場合、
使用可能な（Ｒ〜Ｗ）サブコードエリアは、５８８×８
ブロック＝４７０４ビットであり、チャンネル別として
もその半分の２３５２ビットあるから、再量子化ビット
数を含めて、このサブコードエリアに十分、符号化テー
ブルを記録できる。
【００５１】この例においては、図２に図解したよう
に、複数のブロックからなる入力ディジタル・オーディ
オ信号の処理単位である１ユニットのブロック長を固定
しているが、１ユニットのブロック長を可変にして、エ
ントロピの最も低くなるブロック長を１ユニットの長さ
として符号化することも可能である。こうすることによ
り、より高い圧縮率を実現することができる。その際に
は、１ユニットの長さも記録、伝送する必要があり、こ
の長さのデータをもサブコードエリア内に記録する。
【００５２】合計ビット数計算回路７は、エントロピ符
号化回路６においてエントロピ符号化された後、ユニッ
ト（図示せず）内で符号化したデータのビット数の合計
値（合計ビット数）Ａを算出する。
【００５３】比較回路８は、残りの総ビット数計算回路
４からなる低域信号処理系で求めた「最大許容可能割当
ビット数」Ｂと、合計ビット数計算回路７で求めたエン
トロピ符号の合計ビット数Ａとを比較し、符号化された
データが与えられた情報内でＣＤに記録可能かどうかを
判定する。もし合計ビット数値Ａが割当可能なビット数
Ｂよりも大きくなった場合は符号データはＣＤに記録し
きれない。そのときは、再量子化回路５において、図６
（Ｃ）に図解したように、さらに量子化ビット数を７ビ
ットに少なくして再量子化し、エントロピ符号化回路６
における圧縮効率を高くして、再符号化する。エントロ
ピ符号化回路６内の符号化テーブルもその都度更新さ
れ、最適なテーブルにより符号化が行われる。合計ビッ
ト数値Ａが割当可能なビット数Ｂよりも小さい場合には
符号化データ（圧縮データ）がＣＤに記録可能であるの
で、低域のストレートＰＣＭと低域の符号化データは、
ビット再配分回路９においてビットを再配分され、両者
を、図４（Ａ）に図解したＭＳＢ側の低域信号格納領域
に収める。
【００５４】ビット再配分回路９は、図４（Ａ）に図解
したように、低域のワードをＬＳＢ側に、高域の符号化
データを低域のデータの代わりに配分する。ビット再配
分回路９は、ビット配分し、情報量が１／２になったデ
ータをＣＤに記録するウェーブデータとして出力する。
このウェーブデータのＣＤへの記録は従来と同様に行わ
れる。ＣＤにはウェーブデータの他に、上述した再量子
化ビット数およびサブコードデータが記録される。
【００５５】図１（Ｂ）を参照して、ＣＤ再生装置の詳
細動作を述べる。ＣＤ再生装置は、パワー算出回路１０
でＣＤから読み出されたウェーブデータのパワーを、サ
ンプル毎、あるいは、ユニット毎に（記録したときの単
位で) 算出し、記録時に高域信号成分のためにＬＳＢ側
が何ビット分だけ使われたかを算出する（図４）。
【００５６】ワード分割回路１１は、パワーに応じて求
められたビット数によりワードを分割する。図４に図解
したように、ＭＳＢ側は低域信号成分用、ＬＳＢ側は高
域信号成分用のデータとして用いられる。分割されたワ
ードのうち低域信号成分はそのまま１６ビットのストレ
ートＰＣＭとして、ワード分割回路１１から帯域結合フ
ィルタ１２に出力される。ワードを分割したときに高域
信号成分に用いたＬＳＢの部分は、図４（Ｂ）に図解し
たように、０づめしておく（データ０で埋めておく）。
【００５７】高域信号成分は、エントロピ復号化回路１
３において、エントロピ符号化回路６におけるエントロ
ピ符号化の際、サブコードに記録した符号化テーブルを
読み出して、符号データをストレートＰＣＭデータに復
号化する。ここで復号化されたストレートＰＣＭデータ
は再量子化されたデータであるので、もとのデータより
も振幅は小さい。
【００５８】そこで、増幅回路１４が、サブコードエリ
アＲ〜Ｗに記録した再量子化ビット数を読みだし、まず
８ビットの大きさにまで振幅を増幅し、さらに図４に示
すように、８ビットデータを１６ビットデータに戻して
（増幅は行わない）、帯域結合フィルタ１２に出力す
る。
【００５９】帯域結合フィルタ１２は、帯域分割フィル
タ１におけるＱＭＦと逆のフィルタ処理を行う、「逆Ｑ
ＭＦ（ＩＱＭＦ：Inverse Quadrature Mirror Filter)
」に代表されるフィルタを用い、分割された低域信号
成分と高域信号成分とを結合して、元のオーディオ信号
を再生する。このＩＱＭＦは補間フィルタ（インターポ
ーレーション・フィルタ）であり、デシメーションされ
て１／２のサンプル数になった信号を元のサンプル数に
戻して、結合する。ＩＱＭＦについては、前述したＱＭ
Ｆについて述べた文献に詳しく述べられている。
【００６０】帯域結合フィルタ１２としてＩＱＭＦ以外
のフィルタを用いることもできるが、ＣＤ記録装置にお
ける帯域分割フィルタ１と対になっているので、帯域分
割フィルタ１にＱＭＦを使った場合には、帯域結合フィ
ルタ１２は逆ＱＭＦを使う必要がある。同様に、帯域分
割フィルタ１にＣＱＦを使用したら、帯域結合フィルタ
１２には逆ＣＱＦを用いる。
【００６１】以上述べたように、本発明の第１実施例に
よれば、既存のＣＤのサンプリング周波数＝４４．１ｋ
ＨZ の２倍のサンプリング周波数＝８８．２ｋＨZ を用
いて従来の２倍の周波数帯域（０〜４４．１ｋＨZ ）の
オーディオ信号をＣＤに記録し、再生することができ
る。その結果、既存のＣＤ記録・再生装置においては、
記録、再生が困難だったガムランまたはヨーデルボイス
などの広い帯域のオーディオ信号もＣＤに記録でき、再
生できる。本実施例では、ＣＤのフォーマットを変えず
に、既存のＣＤ記録・再生装置で処理可能なサンプリン
グ周波数＝４４．１ｋＨZ のオーディオ信号については
従来と同様にストレートＰＣＭを用いているから、本実
施例のＣＤ記録・再生装置は既存のＣＤに記録されたオ
ーディオ信号を再生することもできる。また、本実施例
にＣＤ記録装置によって符号化したオーディオ信号を記
録しているＣＤも既存のＣＤ再生装置で、サンプリング
周波数＝４４．１ｋＨZ までは問題なく再生できる。つ
まり、本実施例のＣＤ記録・再生装置およびＣＤは、既
存の装置と互換性を保っている。
【００６２】本発明のディジタル・オーディオ信号処理
装置の第２実施例としてのＣＤ記録・再生装置を図７を
参照して述べる。第２実施例のＣＤ記録・再生装置は、
第１実施例のＣＤ記録・再生装置に対して、高域信号成
分のエントロピ符号化の符号化テーブルの扱い方を異な
らせている。そのため、図７（Ａ）に図解したＣＤ記録
装置に記録側・コードテーブルＲＯＭ２１を設け、図７
（Ｂ）に図解した再生装置に再生側・コードテーブルＲ
ＯＭ２２を設けている。その他の回路構成は、第１実施
例の回路構成と実質的に同じである。
【００６３】第１実施例のＣＤ記録装置においては、エ
ントロピ符号化回路６におけるエントロピ符号化のため
の符号化テーブルをユニット毎に作成し、サブコードに
記録していた。第２実施例のＣＤ記録・再生装置では、
予め符号化テーブルを記録した記録側・コードテーブル
ＲＯＭ２１と再生側・コードテーブルＲＯＭ２２とを設
け、これらのテーブルＲＯＭ２１、２２からテーブルの
内容を読み出して符号化および復号化を行う。図８に記
録側・コードテーブルＲＯＭ２１および再生側・コード
テーブルＲＯＭ２２に記憶されているコードテーブルの
例を示す。記録側・コードテーブルＲＯＭ２１および再
生側・コードテーブルＲＯＭ２２には、再量子化ビット
毎にいくつかのテーブルが記憶されており、入力オーデ
ィオ信号に信号分布に応じて最適なテーブルを用いる。
記録側・コードテーブルＲＯＭ２１は、ＣＤ再生装置に
おいて、オーディオ信号を再生するために、どのテーブ
ル番号を使ったのかをサブコードエリアＲ〜Ｗに記録
し、再生側・コードテーブルＲＯＭ２２ではそのサブコ
ードエリアＲ〜Ｗに記録された情報を読み出してＣＤ記
録装置で使用した符号化テーブルを決定し、そのテーブ
ルデータを用いて符号化されたデータを復号する。
【００６４】第２実施例のＣＤ記録・再生装置は、サブ
コードエリアに、第１実施例のように、再量子化ビット
数などの大量の符号化テーブルを記録する必要がない。
その結果、装置を小型化したとき、符号化テーブルのた
めの容量が足りなくなることがないという利点、どのテ
ーブルを使ったかを示すコードのみなのでサブコードの
読みだし誤りに強いという利点がある。また、第２実施
例においては、どの符号化テーブルを使ったかという情
報から高域信号成分を何ビットで再量子化したかが明確
に分かるため、第１実施例のように、再量子化ビット数
を記録する必要がないという利点がある。
【００６５】本発明のディジタル・オーディオ信号処理
装置の第３実施例としてのＣＤ記録・再生装置を図９を
参照して述べる。第３実施例においては、低域信号成分
のワードを分割して高域の情報を記録する場合、第１実
施例および第２実施例におけるように、時間領域でなく
周波数領域において記録する。そのため、図９（Ａ）に
図解したＣＤ記録装置には記録側・高速フーリエ変換
（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform) 回路３１、記録側
・許容雑音算出回路３２、記録側・高速フーリエ逆変換
回路（ＩＦＦＴ回路）３３が設けられている。同様に、
図９（Ｂ）に図解したＣＤ再生装置には再生側・ＦＦＴ
回路３４、再生・側許容雑音算出回路３５、再生側・高
速フーリエ逆変換回路（ＩＦＦＴ回路）３６が設けられ
ている。図９（Ａ）、図９（Ｂ）に図解した他の構成要
素は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に図解したものと実質的
に同じである。
【００６６】図９（Ａ）に図解したＣＤ記録装置につい
て述べる。帯域分割フィルタ１は入力オーディオ信号を
低域信号成分と高域信号成分とに２分割する。記録側・
ＦＦＴ回路３１は、分割された低域信号成分を、ハミン
グ窓などの窓かけ処理を行った後、高速フーリエ変換処
理を行い、時間領域の信号を周波数領域のスペクトルに
変換する。記録側・ＦＦＴ回路３１において、ＦＦＴ処
理を計算する際、入力オーディオ信号として２の階乗
（べき乗）個のデータ数が必要であるが、入力オーディ
オ信号として、前述したように複数のブロックのシンボ
ル（データ）を用いているが、必ずしも２の階乗のデー
タ数にならない。そこで、足りないところは０で補っ
て、記録側・ＦＦＴ回路３１で計算する。
【００６７】記録側・許容雑音算出回路３２は、記録側
・ＦＦＴ回路３１で求めたスペクトルを臨界帯域（クリ
ティカル・バンド) 毎に分割し、いわゆるマスキング効
果等を考慮した、それぞれの臨界帯域毎の許容雑音量を
求め、許容雑音量を計算する。ここで臨界帯域とは、人
間の聴覚特性を考慮して分割された周波数帯域であり、
ある純音の周波数近傍の同じ強さの狭帯域バンド雑音に
よって当該純音がマスクされるときのその雑音の持つ帯
域のことである。この臨界帯域は、高域信号成分ほど帯
域幅が広くなっており、低域信号成分の全周波数帯域
は、例えば、この実施例では２５の臨界帯域に分割され
ている。
【００６８】図１０に記録側・許容雑音算出回路３２の
詳細回路構成図を示す。記録側・許容雑音算出回路３２
には、記録側・ＦＦＴ回路３１からの周波数軸上のスペ
クトルデータが供給されている。ここで用いるスペクト
ルデータとしては、本実施例においては、記録側・ＦＦ
Ｔ回路３１においてＦＦＴ演算をして得られたＦＦＴ係
数データの実数成分と虚数成分とに基づいて算出された
振幅値と位相値のうち、振幅値を用いるようにしてい
る。その理由は、一般に人間の聴覚は周波数軸上の振幅
（レベル、強度) には敏感であるが位相についてはかな
り鈍感であるから、位相値を用いないで処理を簡略化し
たためである。この周波数軸上の入力データは、臨界帯
域毎のパワー算出回路３２１に印加されて、上記臨界帯
域毎のパワーが求められる。この各臨界帯域毎のパワー
の代わりに、振幅値のピーク値、平均値等を用いてもよ
い。臨界帯域毎のパワー算出回路３２１からの出力デー
タとしての、例えば、各バンドの総和値のスペクトル
は、一般に「バークスペクトル」と称されている。図１
１はこのような各臨界帯域毎のバークスペクトルＳＢを
示すグラフである。ただし、図１１では、簡略化するた
め、臨界帯域の周波数バンド（帯域）数を、上述した２
５バンドではなく、１２バンド（Ｂ１〜Ｂ１２）で表現
している。バークスペクトルＳＢのいわゆる「マスキン
グ」における影響を考慮するために、バークスペクトル
ＳＢに所定の重み付け関数を掛けて加算する、畳込み
（コンボリューション) 処理を施す。このため、臨界帯
域毎のパワー算出回路３２１の出力、すなわち、バーク
スペクトルＳＢの各値は、畳込みフィルタ３２２に印加
される。なお、「マスキング」とは、人間の聴覚上の特
性により、ある信号によって他の信号がマスクされて聞
こえなくなる現象をいうものである。このマスキング効
果には、時間軸上のオーディオ信号による時間軸マスキ
ング効果と、周波数軸上の信号による同時刻マスキング
効果とがある。これらのマスキング効果により、マスキ
ングされる部分に雑音があったとしても、この雑音は聞
こえないことになる。このため、実際のオーディオ信号
では、このマスキングされる範囲内の雑音は許容可能な
雑音とされる。
【００６９】畳込みフィルタ３２２は、例えば、入力デ
ータを順次遅延させる複数の遅延素子と、これら遅延素
子からの出力にフィルタ係数（重み付け関数) を乗算す
る複数の乗算器（例えば各臨界帯域に対応する２５個の
乗算器) と、各乗算器出力の総和をとる総和加算器とか
ら構成される。畳込みフィルタ３２２による畳込み処理
により、図１１中、破線で示す部分の総和がとられる。
【００７０】畳込みフィルタ３２２の各乗算器の乗算係
数（フィルタ係数) の一具体例を示す。任意のバンドに
対応する乗算器Ｍの係数を１とするとき、（１）乗算器
Ｍ−１で係数０．１５を、（２）乗算器Ｍ−２で係数
０．００１９を、（３）乗算器Ｍ−３で係数０．０００
００８６を、（４）乗算器Ｍ＋１で係数０．４を、
（５）乗算器Ｍ＋１で係数０．０６を、（６）乗算器Ｍ
＋２で係数０．００７を各遅延素子の出力に乗算するこ
とにより、上記バークスペクトルＳＢの畳込み処理が行
われる。ただし、本実施例では、Ｍは臨界帯域数１〜２
５の任意の整数である。
【００７１】畳込みフィルタ３２２の出力は引算器３２
３に印加される。引算器３２３は、上記畳込んだ領域で
の後述する許容可能な雑音レベルに対応する雑音ｆｆを
求める。当該許容可能な雑音レベル（許容雑音レベル)
に対応するレベルｆｆは、後述するように、逆畳込み
（逆コンボリューション）処理を行うことによって、臨
界帯域の各帯域毎の許容雑音レベルとなるようなレベル
である。引算器３２３には、レベルｆｆを求めるための
許容関数（マスキングレベルを表現する関数) が供給さ
れる。引算器３２３において、畳込みフィルタ３２２か
らの結果に対して、許容関数を増減させることでレベル
ｆｆの制御を行う。許容関数は、（ｎ−ａi ）関数発生
回路３２４から供給される。許容雑音レベルに対応する
レベルｆｆは、臨界帯域の帯域の低域から順に与えられ
る番号をｉとすると、下記式１で求められる。
【００７２】
【数１】
【００７３】式１において、ｎ、ａは定数であり、ａ＞
０である。記号Ｓは畳込みフィルタ３２２で畳込み処理
されたバークスペクトルＳＢの強度である。（ｎ−
ａi ）が許容関数である。本実施例では、具体例とし
て、ｎ＝３８、ａ＝１とした。実験によれば、この時の
音質劣化はなく、良好な符号化が行えた。このようにし
て、引算器３２３でレベルｆｆが求められ、このレベル
データが割算器３２５に伝送される。
【００７４】割算器３２５は、畳込みされた領域でのレ
ベルｆｆを逆コンボリューションする。この逆コンボリ
ューション処理を行うことにより、レベルｆｆからマス
キングスペクトルが得られる。このマスキングスペクト
ルが許容雑音スペクトルとなる。なお、逆コンボリュー
ション処理は、正確には、畳込みフィルタ３２２の逆処
理となるから、複雑な演算を必要とするが、本実施例で
は簡略化して、割算器３２５で逆コンボリューションに
相当する演算を行っている。
【００７５】合成回路３２７は割算器３２５の結果を合
成する際、最小可聴カーブ発生回路３２６から供給され
る図１２に示す人間の聴覚特性である、いわゆる「最小
可聴カーブＲＣ」を示すデータと、「マスキングスペク
トルＭＳ」とを合成することができる。図１２は、信号
スペクトルＳＳも示している。図１２に示した最小可聴
カーブＲＣにおいて、雑音絶対レベルがこの最小可聴カ
ーブ以下ならば雑音は聞こえないことになる。最小可聴
カーブＲＣは、符号化が同じであっても、例えば再生時
の再生ボリュームの違いで異なるものとなる。しかし、
現実的なディジタル・オーディオ信号処理装置では、例
えば１６ビットダイナミックレンジへの音楽の入り方に
はさほど違いがない。したがって、例えば４ｋＨZ 付近
の最も耳に聞こえやすい周波数帯域の量子化雑音が聞こ
えないとすれば、他の周波数帯域ではこの最小可聴カー
ブのレベル以下の量子化雑音は聞こえないと考えられ
る。このように、例えばＣＤ記録装置の持つワードレン
グスの４ｋＨZ 付近の雑音が聞こえない使い方をすると
仮定し、この最小可聴カーブＲＣとマスキングスペクト
ルＭＳとを共に合成することで許容雑音レベルを得るよ
うにすると、この場合の許容雑音レベルは、図１２中の
斜線で示す部分までにすることができる。第３実施例で
は、最小可聴カーブＲＣの４ｋＨZ のレベルを、例えば
２０ビット相当の最低レベルに合わせている。
【００７６】許容雑音補正回路３２９は、補正情報出力
回路３２８から出力される、例えば「等ラウドネスカー
ブ」の情報に基づいて、合成回路３２７からの出力に対
して許容雑音レベルを補正する。「等ラウドネスカー
ブ」とは、人間の聴覚特性に関する特性曲線であり、例
えば１ｋＨZ の純音と同じ大きさに聞こえる各周波数で
の音の音圧を求めて曲線で結んだもので、ラウドネスの
等感度曲線とも呼ばれる。等ラウドネスカーブは、図１
２に示した最小可聴カーブＲＣとおおむね同じ曲線にな
る。等ラウドネスカーブについて述べる。例えば４ｋＨ
Z 付近では１ｋＨZ のところより音圧が８〜１０ｄＢ程
度下がっても１ｋＨZ と同じ大きさに聞こえ、逆に、１
０ｋＨZ 付近では１ｋＨZ での音圧よりも約１５ｄＢ高
くないと同じ大きさに聞こえない。その結果、最小可聴
カーブのレベルを越えた雑音（許容雑音レベル) は、等
ラウドネスカーブに応じたカーブで与えられる周波数特
性を持つようにするのが良いことが判る。したがって、
等ラウドネスカーブを考慮して許容雑音レベルを補正す
ることは、人間の聴覚特性に適合していることが判る。
このように求められたマスクされる周波数領域は高域信
号成分の記録のために使われる。
【００７７】図９（Ａ）に示したＣＤ記録装置の必要ビ
ット数計算回路３は、記録側・許容雑音算出回路３２で
求めらた許容雑音スペクトル、すなわち高域信号成分の
ために割り当て可能なスペクトルに対応した大きさのビ
ット数を計算する。記録側・ＦＦＴ回路３１で求めたス
ペクトルは、こうして、図４（Ａ）に示したように周波
数領域でマスキングされる周波数領域に高域信号成分の
情報が記録される。図９（Ａ）に示した残りの総ビット
数計算回路４は、図１（Ａ）に示した残りの総ビット数
計算回路４と同様に、１ユニット内のマスキングスペク
トルのビット数を求めて、１ユニット内に高域信号成分
を記録するために割り当てられるビット数Ｂを算出す
る。高域信号成分は第１実施例と同様な処理により高能
率符号化される。ビット再配分回路９は、第１実施例と
同様に、図４のように高域信号成分の情報はマスキング
スペクトルに、すなわち記録側・ＦＦＴ回路３１で求め
られたスペクトルのＬＳＢ側に記録される。記録側・逆
ＦＦＴ回路３３は、周波数領域のスペクトルを時間領域
の信号に戻すため、逆フーリエ変換する。記録側・逆Ｆ
ＦＴ回路３３から出力される時間軸波形信号（ウェーブ
データ）は２の階乗の数のデータ数であるが、もとの入
力オーディオ信号（ウェーブデータ）は必ずしも２の階
乗のデータ数でないので、ウェーブデータとしてＣＤに
記録するときは、余分な部分を切り捨てて記録する。
【００７８】図９（Ｂ）に示したＣＤ再生装置の動作を
述べる。ウェーブデータは、記録側・ＦＦＴ回路３１と
同様の再生側・ＦＦＴ回路３４で窓かけ処理や０づめな
どの前処理を行った後、高速フーリエ変換処理され、時
間領域のウェーブデータを周波数領域のスペクトルに変
換する。再生側・許容雑音算出回路３５は、記録側・許
容雑音算出回路３２と同様に、再生側・ＦＦＴ回路３４
で求められたスペクトルを入力してマスキングスペクト
ルを求める。さらに、再生側・許容雑音算出回路３５
は、このマスキングスペクトルのビット数を計算して、
再生側・ＦＦＴ回路３４で求めたスペクトルが何ビット
で分割されているかを算出する。ワード分割回路１１
は、再生側・許容雑音算出回路３５で求めたビット数を
元に再生側・ＦＦＴ回路３４で求めたスペクトルを分割
する。ここで分割されたマスキングスペクトルと計算さ
れた領域は高域のデータとして、マスキングされないと
計算スペクトルは低域のデータとして時間軸波形信号
（ウェーブデータ）に戻される。低域側は記録側・逆Ｆ
ＦＴ回路３６により逆高速フーリエ変換処理され、時間
領域の波形信号（ウェーブデータ）に戻され、帯域結合
フィルタ１２に入力される。このとき、マスキングスペ
クトルとして高域のデータが入っていた部分には０づめ
を行っておく。記録側・逆ＦＦＴ回路３６で求めた時間
軸波形信号は２の階乗個のデータ数であるが、もとの入
力オーディオ信号は必ずしも２の階乗個のデータ数でな
いので余分な部分を切り捨てる。
【００７９】エントロピ復号化回路１３において、第１
実施例と同様に、サブコードエリアＲ〜Ｗから符号化テ
ーブルを読み出して、そのテーブルをストレートＰＣＭ
データに復号化する。復号化されたストレートＰＣＭデ
ータは、第１実施例で述べたと同様、再量子化されたデ
ータのため、もとのデータよりも小さな振幅のものにな
っている。そこで、増幅回路１４においてサブコードに
記録した再量子化ビット数を読みだし、第１実施例と同
様、振幅の増幅、１６ビットデータへの変換を行って帯
域結合フィルタ１２に出力する。帯域結合フィルタ１２
は、第１実施例と同様、帯域分割フィルタ１と対をなす
フィルタを用いており、第１実施例と同様の処理を行っ
て、再生オーディオ信号を出力する。
【００８０】本発明のディジタル・オーディオ信号処理
装置の第４実施例としてのＣＤ記録・再生装置を図１３
を参照して述べる。第４実施例は、図７に示した第２実
施例における記録側・コードテーブルＲＯＭ２１を用い
た高域信号成分の処理と、図９に示した第３実施例にお
ける記録側・ＦＦＴ回路３１および記録側・許容雑音算
出回路３２を用いた低域信号成分の処理を組み合わせた
ものである。図１３（Ａ）に図解したＣＤ記録装置は、
入力オーディオ信号を低域信号成分と高域信号成分に分
割する帯域分割フィルタ１を有する。帯域分割フィルタ
１で分割された低域信号成分は、記録側・ＦＦＴ回路３
１、記録側・許容雑音算出回路３２、必要ビット数計算
回路３、残りの総ビット数計算回路４、ビット再配分回
路９、記録側・逆ＦＦＴ回路３３において符号化され
る。帯域分割フィルタ１で分割された高域信号成分は、
再量子化回路５、記録側・コードテーブルＲＯＭ２１、
エントロピ符号化回路６、合計ビット数計算回路７、比
較回路８、ビット再配分回路９および記録側・逆ＦＦＴ
回路３３で符号化される。図１３（Ｂ）に図解するＣＤ
再生装置は、ＣＤから読み出されたウェーブデータ（低
域信号成分）を、再生側・ＦＦＴ回路３４、再生側・許
容雑音算出回路３５、ワード分割回路１１、記録側・逆
ＦＦＴ回路３６で再生する。ＣＤから読み出された高域
信号成分を示すデータは、再生側・コードテーブルＲＯ
Ｍ２２、エントロピ復号化回路１３、増幅回路１４にお
いて復号される。これら復号（再生）された低域信号成
分と高域信号成分とが、帯域結合フィルタ１２で合成さ
れる。
【００８１】本発明のディジタル・オーディオ信号処理
装置の第５実施例としてのＣＤ記録・再生装置を述べ
る。第１〜第４実施例では、高域信号成分の情報圧縮を
エントロピ符号化について例示したが、第５実施例で
は、図１４（Ａ）に示すように、高域信号成分について
「線形予測符号化処理（Liner Prediction Coding:LP
C)」する。ＬＰＣは音声波形データ（ウェーブデータ）
が過去の数サンプル値に関係があるという考えに基づい
ていて、音声の離散的な時系列ｓ１：ｓ２に対して、あ
る時点でのサンプル値は過去のｐ個のデータの線形結合
で下記式２のように近似されると仮定する。
【００８２】
【数２】
【００８３】ただし、結合係数ａk を線形予測係数と言
い、ｐを予測次数と言い、真値と近似値との誤差ｅn を
予測残差という。ＬＰＣにより予測がうまくできれば、
残差パワーは小さくなり、少ないビットレートで符号化
できる。
【００８４】復号側（再生側）では図１５に示すよう
に、線形予測係数によるフィルタを生成し、残差を入力
して、下記式３により原波形（入力オーディオ信号）を
復元する。
【００８５】
【数３】
【００８６】なおＬＰＣについては、文献、「板倉、斎
藤: 最尤スペクトル推定法による音声分解合成伝送方
式、音響学会講演論文集、pp.231,1967 」、あるいは、
「B.S,Atal,M.R.Schroeder : Predictive Coding of Sp
eech Signals ,Reports of 6thInt.Conf. Acoust.,C-5-
4,1968 」などに詳しく述べられている。また、ＬＰＣ
の計算アルゴリズムの詳細については数多くの文献に記
載されているが、ここでは省略する。
【００８７】このＬＰＣにより得られた線形予測符号と
予測残差波形をメディアに記録する方法としては図１４
に図解したように線形予測係数をサブコードに、予測残
差波形を低域のＬＳＢ側に記録する方法の他に、図１６
に図解したように線形予測係数と予測残差波形をさらに
ハフマン符号化に代表されるエントロピ符号化して、符
号部分を低域のＬＳＢ側に、テーブルをサブコードとし
て記録する方法など、さまざま考えられる。
【００８８】また線形予測次数も固定にしたり、信号に
応じて次数を増減させて次数の情報もサブコードに記録
することも可能である。表１にユニットサイズと記録可
能な線形予測次数を試算した例を示す。
【００８９】
【表１】
【００９０】高域信号成分の記録における高能率符号化
処理としては、上述してエントロピ符号化、ＬＰＣだけ
でなく、適応型ＰＣＭ（ＡＤＰＣＭ）をはじめとする非
線形量子化、またはベクトル量子化が適用できる。また
周波数軸上で聴覚的な情報を求めて、マスキング等を求
めることによって高能率圧縮を図る方法も可能である。
また、上記の方法で符号化された符号を、図１６に図解
したように、さらにエントロピ符号化することも可能で
ある。
【００９１】上述したいずれの実施例においても、入力
オーディオ信号について、複数のブロックからなるユニ
ット毎の処理を行うため、再生時には従来のメディアの
読みだし速度では、時間遅れが生じる。これを解決する
１方法として、従来の記録媒体からの読みだし速度より
も早く読み出す。その具体例を述べる。ＣＤの場合、通
常の読みだしスピードよりも早く、例えば２倍早くＣＤ
を回転させてデータを読み込む。読み出したデータはバ
ッファメモリに蓄えておき、順次処理しながら再生して
いく。こうすることにより、時間遅れをなくすだけでな
く、ＣＤの振動による音飛びにも強くすることができ
る。また、従来の再生帯域である低域信号成分が記録し
てあるＭＳＢ側に重きを置いた誤り訂正符号を用いるこ
とにより、従来の再生帯域の読み出し誤りを少なくし
て、音質の劣化を防ぐことも可能である。
【００９２】なお、本発明は上記実施例にのみ限定され
るものではなく、図１７に一般的に図解したように、メ
ディアとしてＣＤのみならず、ＬＤ、磁気テープでもよ
い。また、図１７に示したメディアとしては、ＩＳＤＮ
などの通信手段を使った情報伝送やディジタルビデオ、
ＩＣカードなどの記録メディアなどにも適用可能であ
る。
【００９３】図１７は本発明の基本的なディジタル・オ
ーディオ信号処理装置１００の構成図である。ディジタ
ル・オーディオ信号処理装置１００は、第１のディジタ
ル・オーディオ信号処理装置（以下、第１の信号処理装
置という）１１０、メディア１２０、および、第２のデ
ィジタル・オーディオ信号処理装置（以下、第１の信号
処理装置という）１３０を有する。メディア１２０とし
て、ＣＤ、ＬＤ、磁気テープなどの記録媒体を用いる場
合、第１の信号処理装置はディジタル・オーディオ信号
記録装置（以下、記録装置）であり、この記録装置で入
力オーディオ信号を圧縮などの信号処理して、記録媒体
に記録する。第２の信号処理装置１３０はこの場合、デ
ィジタル・オーディオ信号再生装置（以下、再生装置）
であり、上記の如く記録媒体に記録されているオーディ
オ信号を再生する。メディア１２０として伝送経路を用
いる場合、第１の信号処理装置はディジタル・オーディ
オ信号符号化・伝送装置であり、この符号化・伝送装置
で入力オーディオ信号を信号処理して、伝送経路に出力
する。第２の信号処理装置１３０はディジタル・オーデ
ィオ信号復号化装置であり、伝送経路からの信号をもと
のディジタル・オーディオ信号に復号する。
【００９４】第１の信号処理装置１１０は、広帯域のデ
ィジタル・オーディオ信号を複数の周波数帯域に分け
て、その周波数帯域に応じた符号化を行う。これら分割
された周波数帯域の１つは、既存の再生装置で再生可能
な周波数帯域であり、その周波数信号に対して、既存の
再生装置で再生可能な変調を行う。第１の信号処理装置
１１０は、その他の帯域の信号成分については、高能率
符号化処理を行う。
【００９５】メディア１２０としてＣＤを用いた場合は
上述したオーディオ信号記録・再生装置になる。ＣＤ再
生装置１３０として現存するＣＤ再生装置を用いた場
合、最大再生周波数＝２２．０５ｋＨZ 以下の周波数帯
域のオーディオ信号がこれまでと同様に再生できる。た
だし、現存するＣＤ再生装置では、かりにＣＤ１２０に
ガムランや、ヨーデルボイスなどの広帯域（高域）の周
波数成分のオーディオ信号が記録されていても、その成
分を正確には再生できない。しかしながら、低域信号成
分はこれまでと同様に再生できるから、有用性および互
換性は維持されている。ＣＤ再生装置１３０として、低
域信号成分の再生はもとより、最大再生周波数＝２２．
０５ｋＨZ 以上の周波数帯域のオーディオ信号も高能率
復号処理で再生可能な再生装置を用いた場合、低域のオ
ーディオ信号の再生に加えて、ガムランや、ヨーデルボ
イスなどに含まれる高域のオーディオ信号も正確に再生
できる。
【００９６】本発明におけるオーディオ信号は、可聴音
か不可聴音かを問わない、つまり、周波数帯域を問わな
い。また、本発明におけるオーディオ信号は、種々の音
声、種々の音響など、全ての音を含む信号を意味する。
また以上の実施例においては、好適実施例として、ディ
ジタル・オーディオ信号の処理について述べたが、本発
明はディジタル画像信号についても適用できる。
【００９７】
【発明の効果】本発明に係わる信号処理、記録再生装置
によると、いままでの記録メディア、記憶容量のまま、
ＣＤの再生帯域の２倍の帯域の信号が再生可能となる。
また、本発明においては、既存のＣＤ再生装置との互換
性を保っているために、既存の再生装置においては、ス
トレートＰＣＭのサブワード部分がフルワードに近い音
質で再生される。さらに、本発明による装置を用いた場
合、ストレートＰＣＭのサブワード部分に加え、高能率
符号化されたサブワード部分が処理されて再生され、よ
り広帯域の音が再生できる。
【００９８】また、帯域を２分割して低域部をストレー
トＰＣＭで記録することにより、従来の再生装置におい
ても、高域の再生はできないが、従来の再生帯域は再生
できることとなり、記録媒体を従来の再生装置用、本発
明による再生装置用というように２つ提供しなくてもよ
い。
【００９９】また、従来の再生装置においても、媒体か
らデータを読みだし、ビットストリームを取り出せば、
本発明による再生装置の信号処理部分のみを加えること
により高域部も再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のディジタル・オーディオ信号処
理装置の第１実施例としてのＣＤ用ディジタル・オーデ
ィオ信号処理装置の主要部の構成図であり、図１（Ａ）
はＣＤ用ディジタル・オーディオ信号記録装置の構成図
であり、図１（Ｂ）はＣＤ用ディジタル・オーディオ信
号再生装置の構成図である。
【図２】図２は図１（Ａ）、図１（Ｂ）に図解したＣＤ
用ディジタル・オーディオ信号記録・再生装置で用いる
ＣＤのデータフォーマットを表す図であり、図２（Ａ）
はブロックの構成を示し、図２（Ｂ）はブロック内の１
フレームの構成を示し、図２（Ｃ）は１フレーム内のサ
ブコードの構成を示す図である。
【図３】図３は図３（Ａ）のストレートＰＣＭ処理にお
けるワード分割を示すグラフであり、図３（Ａ）はサン
プル毎にワードを分割する例を図解したグラフであり、
図３（Ｂ）はユニット毎のパワーに応じて平均的にワー
ドを分割する例を図解したグラフである。
【図４】図４は１６ビットのワードの利用形態を示す図
であり、図４（Ａ）は記録時におけるワードの構成を示
し、図４（Ｂ）は再生時におけるワードの構成を示す図
である。
【図５】図５は実際のオーディオ信号を解析したスペク
トルを示すグラフである。
【図６】図６は再量子化処理の相互関連と異なるビット
長さにおける量子化の程度図解するグラフであり、図６
（Ａ）は１６ビットの再量子化状態を図解するグラフで
あり、図６（Ｂ）は８ビットの再量子化状態を図解する
グラフであり、図６（Ｃ）は７ビットの再量子化状態を
図解するグラフである。
【図７】図７は本発明のディジタル・オーディオ信号処
理装置の第２実施例としてのＣＤ用ディジタル・オーデ
ィオ信号処理装置の主要部の構成図であり、図７（Ａ）
はＣＤ用ディジタル・オーディオ信号記録装置の構成図
であり、図７（Ｂ）はＣＤ用ディジタル・オーディオ信
号再生装置の構成図である。
【図８】図８は図７に示したコードテーブルＲＯＭに記
憶されており、エントロピ符号化回路のエントロピ符号
化に用いる符号化テーブルの構造を示す図である。
【図９】図９は本発明のディジタル・オーディオ信号処
理装置の第３実施例としてのＣＤ用ディジタル・オーデ
ィオ信号処理装置の主要部の構成図であり、図９（Ａ）
はＣＤ用ディジタル・オーディオ信号記録装置の構成図
であり、図９（Ｂ）はＣＤ用ディジタル・オーディオ信
号再生装置の構成図である。
【図１０】図１０は図９における許容雑音算出回路の回
路構成図である。
【図１１】図１１はバークスペクトルを表すグラフであ
る。
【図１２】図１２は最小可聴カーブＲＣ、マスキングス
ペクトルＭＳ、信号スペクトルＳＳを示すグラフであ
る。
【図１３】図１３は本発明のディジタル・オーディオ信
号処理装置の第４実施例としてのＣＤ用ディジタル・オ
ーディオ信号処理装置の主要部の構成図であり、図１３
（Ａ）はＣＤ用ディジタル・オーディオ信号記録装置の
構成図であり、図１３（Ｂ）はＣＤ用ディジタル・オー
ディオ信号再生装置の構成図である。
【図１４】図１４は本発明のディジタル・オーディオ信
号処理装置の第５実施例としてのＣＤ用ディジタル・オ
ーディオ信号処理装置における高能率符号化処理の他の
例としてＬＰＣを適用する概略構成を図解する図であ
る。
【図１５】図１５はフィルタの回路構成図である。
【図１６】図１４は本発明のディジタル・オーディオ信
号処理装置の第６実施例としてのＣＤ用ディジタル・オ
ーディオ信号処理装置における高能率符号化処理のさら
に他の例としてＬＰＣを適用する概略構成を図解する図
である。
【図１７】図１７は本発明のディジタル・オーディオ信
号処理装置の構成図である。
【符号の説明】
１・・帯域分割フィルタ ２・・パワー算出回路 ３・・必要ビット数計算回路 ４・・残りの総ビット数計算回路 ５・・再量子化回路 ６・・エントロピ符号化回路 ７・・合計ビット数計算回路 ８・・比較回路 ９・・ビット再配分回路 １０・・パワー算出回路 １１・・ワード分割回路 １２・・帯域結合フィルタ １３・・エントロピ復号化回路 １４・・増幅回路 ２１・・記録側・コードテーブルＲＯＭ ２２・・再生側・コードテーブルＲＯＭ ３１・・記録側・ＦＦＴ回路 ３２・・記録側・許容雑音算出回路 ３２１・・臨界帯域毎のパワー算出回路 ３２２・・畳込みフィルタ ３２３・・引算器 ３２４・・（ｎ−ａi ）関数発生回路 ３２５・・割算器（逆畳込みフィルタ） ３２６・・最小可聴カーブ発生回路 ３２７・・合成回路 ３２８・・補正情報出力回路 ３２９・・許容雑音補正回路 ３３・・記録側・逆ＦＦＴ回路 ３４・・再生側・ＦＦＴ回路 ３５・・再生側・許容雑音算出回路 ３６・・記録側・逆ＦＦＴ回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿久根 誠 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−250811（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−101132（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−192334（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−90972（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−50640（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−311594（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−505984（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／12599（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 20/10 - 20/16 351 G10L 19/00 H03M 3/00 - 11/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ワードとして表された入力ディジタル・オ
    ーディオ信号を、既存の再生方法で再生を行う第１の周
    波数帯域の信号成分を少なくとも１つ含む複数のサブ帯
    域の信号成分に分割する帯域分割手段と、 前記第１の帯域の信号成分について、既存の再生方法に
    適合する方法で変調を行ない第１の変調結果を生成する
    第１の変調手段と、 前記第１の周波数帯域以外の分割された残りの第２の周
    波数帯域の信号成分について、高能率符号化処理に基づ
    いて変調して第２の変調結果を生成する第２の変調手段
    と、 第１の変調結果と第２の変調結果とを統合してその結果
    を記録媒体に記録する統合・記録手段とを有するディジ
    タル・オーディオ信号記録装置であって、 前記第１の変調手段は、 前記第１の帯域信号成分を符号化して第１の変調結果を
    生成する第１の符号化手段と、 前記第１の帯域信号成分についてその変調の程度を示す
    値に基づいてワードを分割するワード分割手段と、 該算出された値に基づいて、前記第１の帯域の信号成分
    を変調するのに必要な第１のビット数を算出する手段
    と、 所定のビット長さに対する残りの総ビット数を計算する
    残りの総ビット数計算手段とを有する ディジタル・オー
    ディオ信号記録装置。
  2. 【請求項２】前記第１の変調手段は、前記入力オーディ
    オ信号の全帯域を分割した複数のサブ帯域情報を、ディ
    ジタル・オーディオ信号を表すワードを分割した複数の
    サブワードを用いて変調する、 請求項１記載のディジタル・オーディオ信号記録装置。
  3. 【請求項３】前記入力オーディオ信号は、複数のワード
    ごとにブロックが構成され、複数のブロックの複数のワ
    ードを１単位として処理される、 請求項２記載のディジタル・オーディオ信号記録装置。
  4. 【請求項４】前記第１の符号化手段はストレートＰＣＭ
    変調を行う、請求項１ 記載のディジタル・オーディオ信号記録装置。
  5. 【請求項５】前記ワード分割手段は時間領域においてワ
    ードを分割する、請求項１ 記載のディジタル・オーディオ信号記録装置。
  6. 【請求項６】前記ワード分割手段は、 前記第１の帯域の信号成分の許容雑音レベルを算出する
    回路と、 該算出した雑音レベルに応じたある比率でサンプルごと
    にワードを分割する回路と有する請求項５記載のディジ
    タル・オーディオ信号記録装置。
  7. 【請求項７】前記ワード分割手段は、 前記第１の帯域の信号成分の許容雑音レベルを算出する
    回路と、 前記入力されるオーディオ信号の１単位の複数のワード
    について、該算出した雑音レベルに応じて平均的にワー
    ドを分割する回路とを有する請求項５記載のディジタル
    ・オーディオ信号記録装置。
  8. 【請求項８】前記ワード分割手段は周波数領域において
    ワードを分割する、請求項１ 記載のディジタル・オーディオ信号記録装置。
  9. 【請求項９】前記ワード分割手段は、 前記第１の帯域の信号成分を周波数領域に変換する手段
    と、 該周波数領域の信号成分の許容雑音レベルを算出する回
    路と、 該算出した雑音レベルに応じたある比率でサンプルごと
    にワードを分割する回路と、 前記ビット再配分手段の後段に設けられ、前記周波数領
    域の信号成分を時間軸領域の信号成分に復元する周波数
    ・時間軸変換手段と有する請求項８記載のディジタル・
    オーディオ信号記録装置。
  10. 【請求項１０】前記ワード分割手段は、 前記第１の帯域の信号成分を周波数領域に変換する手段
    と、 該周波数領域の信号成分の許容雑音レベルを算出する回
    路と、 前記入力されるオーディオ信号の１単位の複数のワード
    について、該算出した雑音レベルに応じて平均的にワー
    ドを分割する回路と、 前記ビット再配分手段の後段に設けられ、前記周波数領
    域の信号成分を時間軸領域の信号成分に復元する周波数
    ・時間軸変換手段とを有する請求項８記載のディジタル
    ・オーディオ信号記録装置。
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