JP4298160B2 - ボコーダにより制御されるａｇｃを有するオーディオコーデック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はオーディオバンドエンコーダおよびデコーダに関する。特に、この発明は音声エンコーダ／デコーダ（ボコーダ）により利得制御される内部増幅器を備えた新規かつ改良されたオーディオバンドエンコーダ／デコーダ（コーデック）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルオーディオ処理の技術では、オーディオバンドエンコーダ／デコーダ（コーデック）が一般的に使用されてアナログオーディオ信号をエンコードデジタル信号に変換し、そしてこの逆にも変換する。例えば、コーデックはマクロフォンのアナログ出力を受け取り、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）中でさらにデジタル信号処理を行うために、マイクロフォンにより発生されたアナログオーディオ信号をパルスコード変調（ＰＣＭ）エンコードされたデジタルオーディオ信号に変換する。さらにコーデックはＰＣＭエンコードされたデジタルオーディオ信号をＤＳＰから受け取って、オーディオスピーカにより使用するためにその信号をアナログオーディオ信号に変換する。もちろん、コーデックはＡ法則、μ法則などのような技術的に知られている付加的なデジタルエンコーディング技術を使用してもよく、あるいは単に他の任意の線形または非線形エンコーディング技術を使用してもよい。
【０００３】
技術的に知られている典型的なコーデックには固定あるいは可変利得である内部、あるいはおそらく外部のオーディオ増幅器が含まれている。マイクロフォンからのアナログオーディオ信号はデジタル的にエンコードされてＤＳＰに送られる前にこの増幅器により増幅される。増幅器の利得は予想動作範囲に対して線形利得をもたらすように選択される。しかしながら多くの適用において、マイクロフォンにより発生されるアナログオーディオ信号はエンコーダのダイナミックレンジを越えることがある。このようなケースでは、エンコードされた信号は飽和し、歪むようになる。明らかに、オーディオ信号は歪みのために許容可能な状態で再生することができないことから、このことは望ましいことではない。
【０００４】
この問題はデジタル電話システムでは明白である。多くのデジタル電話システムでは、コーデックのＰＣＭエンコードされた出力はボコーダによりさらにエンコードされ、オーディオ信号を表すのに使用されるデジタルデータ量を最小にする。このボコーダはいくつかの技術を使用し、人の音声モデルに関係するパラメータを抽出することにより、音声のようなオーディオ信号を圧縮する。ボコーダは技術的によく知られている。さまざまなボコーダ設計の例は“可変レートボコーダ”と題する米国特許第５，４１４，７９６号、“可変レートボコーダ中で音声エンコーディングレートを決定する方法”と題する米国特許第５，３４１，４５６号、および１９９４年２月１６日に出願された“ボコーダＡＳＩＣ”と題する米国特許出願第０８／１９７，４１７号に見出すことができる。先に指定した各特許および出願は本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに組み込まれている。コーデックへのアナログオーディオ信号入力のレベルがクリッピングを引き起こす位に十分に高い場合には、結果として得られるボコーダに提供されるＰＣＭエンコードされた音声信号は歪み、ボコーダはデコードされたときの適切な再生のために信号を適切にモデル化することができない。これは一般的に“騒々しい話者”問題と呼ばれている。
【０００５】
“騒々しい話者”問題を解消するために、オーディオ増幅器上で自動利得制御（ＡＧＣ）を実行して、オーディオエネルギレベルが高いときにオーディオ増幅器利得をターンダウンし、オーディオエネルギレベルが低いとき（すなわち“静かな話者”）にはオーディオ増幅器利得をターンアップすることが望ましい。これによりコーデックがボコーダにより使用するための利得制御されたＰＣＭエンコードオーディオデータを発生することができる。
【０００６】
しかしながら、ボコーダは一般的に背景雑音（すなわちコーデックからのＰＣＭエンコードされた出力中の非音声成分）のレベルを推定し、この推定された背景雑音レベルを使用して背景雑音の抑制を行う。コーデックからの利得制御された入力信号がボコーダに提供される場合には、背景雑音レベルはどれ位ユーザが騒々しく話しているかにしたがって変化する。これは背景雑音レベルの推定プロセスに不正確さをもたらす。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって必要とされるものは、ボコーダの背景雑音レベル推定プロセスに不正確さをもたらすことなく“騒々しい話者”問題を解消する自動利得制御回路である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は新規かつ改良されたオーディオバンドプロセッサならびにオーディオバンドプロセッサの利得を制御する方法および回路である。好ましい実施形態では、オーディオバンドプロセッサは、アナログオーディオ信号を受け取る第１の可変利得増幅器と、前記アナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記デジタルオーディオ信号をエンコードするインターフェイス回路とを具備する。インターフェイス回路はまた、前記デジタルオーディオ信号をエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジし、エンコード受信フレームのシーケンスを受け取り、各受信フレームは予め定められた数のエンコードデジタルオーディオ信号データビットと予め定められた数のデジタル利得制御ビットを含む。インターフェイス回路はまた、前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第１の可変利得増幅器の利得レベルを調整する。他の実施形態では、オーディオバンドプロセッサは第２の可変利得増幅器をさらに具備し、インターフェイス回路は前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第２の可変利得増幅器の利得レベルを調整する。
【０００９】
本発明の新規なオーディオバンドプロセッサはオーディオバンドプロセッサの利得を制御する回路とともに使用してもよい。この回路は、アナログオーディオ信号を受け取る、前記オーディオバンドプロセッサ中の第１の可変利得増幅器と、前記アナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換する、前記オーディオバンドプロセッサ中のアナログデジタル変換器と、前記デジタルオーディオ信号をエンコードし、前記デジタルオーディオ信号をエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジするインターフェイス回路と、エンコード送信フレームの前記シーケンスのエネルギレベルを測定するボコーダとを具備する。ボコーダはまた、前記測定されたエネルギレベルに応答してデジタル利得制御ビットを発生し、エンコード受信フレームのシーケンスを発生し、各受信フレームは予め定められた数のエンコードデジタルオーディオ信号データビットと予め定められた数のパディングビットを含む。ボコーダはさらに、前記デジタル利得制御ビットを前記パディングビットにマルチプレクスする。インターフェイス回路は前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第１の可変利得増幅器の利得レベルを調整する。本発明を使用する方法も開示される。
【００１０】
本発明の特徴、目的および効果は同一の参照文字が全体を通して対応するものを識別している図面を考慮に入れると以下に述べられる詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明のブロック概略図が示されている。図１に示されている構成要素はセルラまたはＰＣＳ電話機のようなデジタルワイヤレス電話機における使用に対して適切である。マイクロフォン（ＭＩＣ）１０２は技術的に知られているような標準的なマイクロフォンである。ＭＩＣ１０２はユーザ音声からのオーディオサウンド波を背景雑音とともにアナログオーディオ信号に変換する。コーデック１０６はアナログオーディオ信号を増幅して、ＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号に変換し、ＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号をＰＣＭ出力（ＰＣＭＯ）ラインを通してボコーダ１０８に送る。本発明のコーデック１０６はアナログオーディオ信号を技術的に知られているように異なる線形または非線型デジタルフォーマットにエンコーディングしてもよいことに留意すべきである。
【００１２】
ボコーダ１０８はＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号を受け取り、音声圧縮、背景雑音の評価および除去、音声アクティビィティ検出のようなさまざまなデジタル信号処理技術を実行する。他のデジタル信号処理技術もボコーダ１０８により実行され、このボコーダ１０８は、１９９４年２月１６日に出願され、“ボコーダＡＳＩＣ”と題する先に組み込まれた米国特許出願第０８／１９７，４１７号にしたがって設計および構成されたボコーダであることが好ましい。ボコーダ１０８はその後（示されていない）ワイヤレス基地局への送信のためにボコードされた音声データのフレームを（示されていない）送信機に送る。
【００１３】
（示されていない）受信機はワイヤレス基地局からのボコードされた音声データを受信し、復調し、そして回復し、デコーディングや、オーディオデータをＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号に再構成するために、ボコードされた音声データのフレームをボコーダ１０８に送る。ボコーダ１０８はＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータを予め定められた長さのＰＣＭ受信フレームにアレンジする。受信側でボコーダ１０８により発生された各ＰＣＭ受信フレームは、予め定められた数のＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータビット、および予め定められた数のパディングビットを含む。好ましい実施形態では、フレーム長は１６ビットであり、１３のＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータビットおよび３つのパディングビットを含む。しかしながら、本発明から逸脱することなく、他のフレーム長およびパディングビットに対するデータの比を使用してもよいことは明らかである。
【００１４】
コーデック１０６は（ＰＣＭＩ）ライン中のＰＣＭにおけるパディングビットとともに、ＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータのＰＣＭ受信フレームを受け取る。コーデック１０６はパディングビットとＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータビットを分離し、ＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータビットをアナログオーディオ信号に変換する。アナログオーディオ信号はその後スピーカ（ＳＰＫＲ）１０４によりオーディオサウンド波に変換される。そしてユーザは受信されたオーディオ信号を聞くことができる。
【００１５】
本発明では、ボコーダ１０８はＰＭＣＯライン上で受信されたＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号のエネルギレベルも測定する。コーデック１０６により発生されたこのＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号のエネルギレベルは、ＭＩＣ１０２によりピックアップされるオーディオレベルと、コーデック１０６の内部に対して実行される利得制御に依存する。ＰＣＭＯライン上で受け取られたＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号の測定されたエネルギレベルに応答して、ボコーダ１０８はデジタル利得制御信号を発生し、この信号は測定されたエネルギレベルに反比例している。
【００１６】
好ましい実施形態では、デジタル利得制御信号は３ビットである。しかしながら、どれ位多くの制御情報を送信することが要求されるかに依存して、他の任意の数の制御ビットを使用してもよいことに留意すべきである。ボコーダ１０８はこれらのデジタル利得制御信号ビットを先に説明したＰＣＭ受信フレームのパディングビットにマルチプレクスする。したがって、好ましい実施形態では、フレームの３つのパディングビットは３つのデジタル利得制御信号ビットにより置換される。これらの３つのデジタル利得制御信号ビットはコーデック１０６によりフレームから分離され、内部送信利得を調整するのに使用される。
【００１７】
先の説明から分かるように、コーデック１０６およびボコーダ１０８の機能を実行するＡＳＩＣの制御ラインの数およびピンカウントは、ボコーダ１０８がデジタル利得制御ビットを、ＰＣＭエンコードデジタルオーディオデータを伝えるのに既に使用されているＰＣＭ受信フレームにマルチプレクスすることにより減少する。したがって、ボコーダ１０８とコーデック１０６との間にさらに多くのインターフェイスを追加する必要なく、コーデック１０６により発生されるＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号中の歪みが避けられる。さらに、デジタル利得制御信号を発生しているのはボコーダ１０８自体であることから、ボコーダ１０８には、コーデック１０６の内部送信利得中で予測される変化が何であるかが前もって分かっており、したがって背景雑音の推定中におけるこの利得変化を考慮することができる。
【００１８】
図２を参照すると、本発明の回路の拡大されたブロック図が示されている。可変利得増幅器２０２がアナログオーディオ信号を受け取る。可変利得増幅器２０２は可変利得値にしたがってアナログオーディオ信号を増幅し、この可変利得値はボコーダ２０８により発生され、ＰＣＭＩラインを通して送られ、ＰＣＭインターフェイス２０６により分離されるデジタル利得制御信号ビットにより設定される。Ａ／Ｄ変換器２０４は増幅されたアナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換する。ＰＣＭインターフェイス２０６はその後デジタルオーディオ信号をＰＣＭエンコードする。ＰＣＭインターフェイス２０６はまた、ＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号データをＰＣＭＯライン上のＰＣＭエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジし、データをボコーダ２０８に送る。このボコーダ２０８はさらなるデジタル信号処理およびエネルギレベルの測定を実行する。
【００１９】
図３を参照すると、図１のコーデック１０６の例示的な実施形態のさらに詳細なブロック図が示されている。送信側では、ＭＩＣ１０２からのアナログオーディオ信号が可変オーディオ増幅器３０２により増幅される。アナログオーディオ信号はまたさらにオプションの固定オーディオ増幅器３０４により増幅されてもよい。アナログ変調器２０６は増幅されたアナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変調し、デジタルオーディオ信号はその後ＴＸフィルタおよび増幅器３０８によりフィルタされ、変調の副産物として発生されたスプリアス信号成分が取り除かれ、ＰＣＭインターフェイス３１０はその後デジタルオーディオ信号をＰＣＭエンコードする。ＰＣＭインターフェイス３１０はまたＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号データを、ＰＣＭＯライン上のＰＣＭエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジしてデータをボコーダ２０８に送る。ボコーダ２０８はさらなるデジタル信号処理およびエネルギレベルの測定を実行する。
【００２０】
受信側では、ＰＣＭインターフェイス３１０はＰＣＭＩラインを通してＰＣＭ受信フレームを受け取る。ＰＣＭインターフェイス３１０はＰＣＭ受信フレームからデジタル利得制御ビットをデマルチプレクスし、このデジタル利得制御ビットを使用し、制御ライン３２０を通して可変オーディオ増幅器３０２の利得を制御し、制御ライン３２０を通してＴＸフィルタおよび増幅器３０８を制御する。好ましい実施形態では、コーデック１０６の送信利得制御は以下の表Ｉ（すべての利得値はｄＢ）にしたがって実行される。
【表１】

【００２１】
好ましい実施形態では、コーデック１０６の総送信利得は可変オーディオ増幅器３０２の利得ならびにＴＸフィルタおよび増幅器３０８を調整することにより２ｄＢステップで（騒々しい話者または環境に対して）１０ｄＢから（静かな話者または環境に対して）２４ｄＢまで調整することができることは表Ｉから明らかである。明らかに、他の範囲およびｄＢステップ値も本発明から逸脱することなく可能である。
【００２２】
ＰＣＭ受信フレーム中のＰＣＭエンコードデジタルオーディオ信号ビットはＰＣＭインターフェイス３１０により分離されてデコードされ、ＲＸボリューム制御３１２に送られる。このＲＸボリューム制御３１２では利得調整がなされ、その後ＲＸフィルタおよび増幅器３１４によりフィルタされて増幅される。デコードデジタルオーディオ信号はその後デジタル変調器３２０によりデジタル的に復調され、アナログオーディオ信号に変換される。このアナログオーディオ信号はスピーカ１０４（図１）による使用のためにスピーカ増幅器（ＳＰＫＲ増幅器）により増幅される。
【００２３】
可変オーディオ増幅器３０２および固定オーディオ増幅器３０４に対する例示的な回路図が図３に示されている。図３は例示として提供されているものであり、当業者は本発明から逸脱することなくその教示を容易に修正して、わずかに異なる増幅器チェーンを設計できることに留意すべきである。可変オーディオ増幅器３０２および固定オーディオ増幅器３０４は差動増幅器として図３に示されているが、図３に図示されている回路は本発明から逸脱することなくシングルエンド回路として再設計できることにも留意すべきである。受動ネットワーク４０２は固定オーディオ増幅器３０４の利得を変化させるために変更してもよい。好ましい実施形態では、受動ネットワーク４０２はコーデック１０６に対して外部であることから、固定オーディオ増幅器３０４の利得は異なる適用に対して外部的に設定してもよい。先の表Ｉの例では、固定オーディオ増幅器３０４の利得は受動ネットワーク４０２により１８ｄＢに設定されている。図３の受動構成部品に対する例示的な値は以下の通りである。
【表２】

【００２４】
好ましい実施形態の先の説明は、当業者が本発明を作りまたは使用できるように提供されている。これらの実施形態に対するさまざまな修正は当業者に容易に明らかになるであろう。ここに規定されている一般的な原理は発明能力を使用することなく他の実施形態に対して適用してもよい。したがって、本発明はここに示されている実施形態に制限されることを意図しているものではなく、ここに開示されている原理および新規な特徴と矛盾しない最も広い範囲に一致すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の回路の概観ブロック図である。
【図２】 図２は、本発明の回路の拡大されたブロック図である。
【図３】 図３は、図２のコーデックの例示的な実施形態のさらに詳細なブロック図である。
【図４】 図４は、本発明とともに使用するための例示的な可変利得オーディオ増幅器の回路レベルの図である。

Claims (8)

1. アナログオーディオ信号を受け取る第１の可変利得増幅器と、
   前記アナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換するアナログデジタル変換器と、
   前記デジタルオーディオ信号をエンコードし、前記デジタルオーディオ信号をエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジし、エンコード受信フレームのシーケンスを受け取り、各受信フレームは予め定められた数のエンコードデジタルオーディオ信号データビットと予め定められた数のデジタル利得制御ビットを含み、さらに前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第１の可変利得増幅器の利得レベルを調整するインターフェイス回路とを具備するオーディオバンドプロセッサ。
2. 第２の可変利得増幅器をさらに具備し、前記インターフェイス回路は前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第２の可変利得増幅器の利得レベルを調整する請求項１記載のオーディオバンドプロセッサ。
3. オーディオバンドプロセッサの利得を制御する回路において、
   アナログオーディオ信号を受け取る、前記オーディオバンドプロセッサ中の第１の可変利得増幅器と、
   前記アナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換する、前記オーディオバンドプロセッサ中のアナログデジタル変換器と、
   前記デジタルオーディオ信号をエンコードし、前記デジタルオーディオ信号をエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジするインターフェイス回路と、
   エンコード送信フレームの前記シーケンスのエネルギレベルを測定し、前記測定されたエネルギレベルに応答してデジタル利得制御ビットを発生し、エンコード受信フレームのシーケンスを発生し、各受信フレームは予め定められた数のエンコードデジタルオーディオ信号データビットと予め定められた数のパディングビットを含み、前記デジタル利得制御ビットを前記パディングビットにマルチプレクスするボコーダとを具備し、
   前記インターフェイス回路は前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第１の可変利得増幅器の利得レベルを調整する回路。
4. 第２の可変利得増幅器をさらに具備し、前記インターフェイス回路は前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第２の可変利得増幅器の利得レベルを調整する請求項３記載の回路。
5. 第１の可変利得増幅器を有するオーディオバンドプロセッサ中でオーディオバンド処理を行うための方法において、
   アナログオーディオ信号を受け取り、
   前記アナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換し、
   前記デジタルオーディオ信号をエンコードし、
   前記デジタルオーディオ信号をエンコード送信フレームのシーケンスにアレンジし、
   エンコード受信フレームのシーケンスを受け取り、各受信フレームは予め定められた数のエンコードデジタルオーディオ信号データビットと予め定められた数のデジタル利得制御ビットを含み、
   前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第１の可変利得増幅器の利得レベルを調整するステップを含む方法。
6. 前記デジタル利得制御ビットに応答して第２の可変利得増幅器の利得レベルを調整するステップをさらに含む請求項５記載の方法。
7. 第１の可変利得増幅器を有するオーディオバンドプロセッサの利得を調整する方法において、
   アナログオーディオ信号を受け取り、
   前記アナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換し、
   前記デジタルオーディオ信号をエンコードし、
   前記デジタルオーディオ信号をエンコード送信フレームにアレンジし、
   エンコード送信フレームの前記シーケンスのエネルギレベルを測定し、
   前記測定されたエネルギレベルに応答してデジタル利得制御ビットを発生し、
   エンコード受信フレームのシーケンスを発生し、各受信フレームは予め定められた数のエンコードデジタルオーディオ信号データビットと予め定められた数のパディングビットを含み、
   前記デジタル利得制御ビットを前記パディングビットにマルチプレクスし、
   前記デジタル利得制御ビットに応答して前記第１の可変利得増幅器の利得レベルを調整するステップを含む方法。
8. 前記デジタル利得制御ビットに応答して第２の可変利得増幅器の利得レベルを調整するステップをさらに含む請求項７記載の方法。

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