JP4299436B2 - ハミング距離を利用した音声符号化方式及び音声伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハミング距離を利用して音声を符号化し、伝送するための音声符号化方式及び音声伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アナログ音響信号をデジタル情報で表現するための手法の１つとして、ＰＣＭ方式即ちパルス符号変調方式が知られている。パルス符号変調方式においては、短い時間毎の入力信号の強さを測定し、その強さを数値化、即ちデジタル化する。１秒間に測定する回数を標本化周波数といい、入力信号の強さを数値化するときの細かさを量子化レベルといい、この量子化レベルを２進数で表したものを量子化ビット数という。例えば、一般的な音楽ＣＤの場合、標本化周波数は４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数は１６ビットである。
【０００３】
実際の音響信号は時間的に連続しているので、次回の測定の時の音の強さはある程度予測することが可能であり、実測値と予測値との差分だけを記録するようにすれば、音質を損なうことなく、データ量を圧縮することが可能になる。この性質を利用した変調方式はＡＤＰＣＭ方式即ち適応差分パルス符号変調方式と呼ばれ、過去の入力信号から現在の入力信号を予測し、その予測信号といい、現在の入力信号との差分である予測誤差信号を量子化して伝送する。
【０００４】
図４は、公知の３２ｋｂｐｓの適応差分パルス符号変調方式を利用したシステムの一例を概略的に示すブロック図である。同図において、送信側においては、マイクロホン１で受信された音声信号ａは、標本化周波数８ｋＨｚでＡ／Ｄ変換器２によって１２ビットのデジタル信号ｂへ変換された後、差分器３の一方の入力端子に入力される。差分器３の他方の入力端子には、適応予測器４からの予測信号ｃが与えられる。この予測信号ｃは、現時点までの入力信号に基づいて作られた、次の時点に入力されると予測される信号である。こうして、差分器３はＡ／Ｄ変換器２からの現時点でのデジタル信号ｂと適応予測器４からの予測信号ｃとの差分を表す差分信号ｄを出力する。この差分信号ｄは標本化周波数８ｋＨｚ、量子化ビット数が４ビットの量子化器５によって３２ｋｂｐｓ（＝８ｋＨｚ×４ビット）の量子化信号ｅへ変換され、予測誤差信号として伝送系６へ送出される。量子化器５での量子化ビット数によって圧縮率が決定される。
【０００５】
同時に、前記の予測信号ｃを作るために、この３２ｋｂｐｓの量子化信号ｅは４ビットの逆量子化器７にも与えられて差分信号ｆが復号され、復号された差分信号ｇは適応予測器４に入力される。適応予測器４は、これまでに入力された差分信号に基づいて、予測誤差が最小になるように予測信号ｃを適応予測し、これを差分器３に与える。
【０００６】
受信機では、伝送系６を介して送られてきた３２ｋｂｐｓの予測誤差信号ｇを受け取って４ビットの逆量子化器８に加える。受信された予測誤差信号ｇは逆量子化器８よって差分信号ｈへ変換して加算器９に印加する。一方、受信された予測誤差信号ｇは４ビットの逆量子化器１０にも印加され、それによって同じく差分信号ｉへと変換されて適応予測器１１に与えられる。適応予測器１１は、これまでに入力された差分信号を用いて予測信号ｊを適応予測し、加算器９に与える。そこで、加算器９は逆量子化器８から入力された差分信号ｈと適応予測器１０からの予測信号ｊとを加算してデジタル信号ｋを出力する。出力されたデジタル信号ｋは１２ビットのＤ／Ａ変換器１２に入力されて音声信号ｍへ変換され、スピーカ１３から出力される。
【０００７】
こうした量子化、逆量子化を行うパルス符号変調方式を用いて被変調信号を伝送する場合、伝送系にビット誤りが発生すると、受信側でスパイク状のノイズが発生する。こうしたスパイク状のノイズはそのときの最大振幅を有する可能性があり、そうした状態で復調すると、耳障りな雑音が生じるという問題がある。
【０００８】
こうした問題は線形パルス符号変調方式を用いたときばかりでなく、非線型パルス符号変調方式（例えばｌｏｇ−ＰＣＭ）を用いたときにも起こり得る。同様に、差分パルス符号変調方式においても、差分信号にビット誤りが発生し、それによる誤差が最大振幅を取るときには、同じようなスパイク状のノイズが受信側に発生する。そのうえ、図４に示すような適応差分パルス符号変調方式にあっては、差分符号化と適応予測とを行っているため、ビット誤りによる影響は一層複雑になり、パルス符号変調と比べると聴感上の影響は少ないが、ノイズが発生することに変わりはなく、差分信号に最大の誤差が発生する可能性も高いという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のとおりの、公知のパルス符号変調方式が持つ課題に鑑みて提案されたものであり、この発明は、ハミング距離を利用してパルス符号変調を行い、伝送ノイズの影響を低減するようにした音声符号化方式及び音声伝送システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、自然界のノイズ、特に無線通信でのノイズのほとんどがガウス分布を示し、連続してビット誤りが発生する確率は非常に少なく、逆に１ビットのみを誤る確率が最も高いとの知見に基づいて提案されたものである。こうした性質を利用して、量子化、逆量子化の際に伝送系での符号をハミング距離が小さいものを近くに、大きいものを遠くに配置するようにしたものである。
【００１１】
そこで、請求項１に記載の発明は、
入力された音声信号を第１の符号配列のうちの１つを有する信号へ量子化し、この量子化された信号を、基準となる符号配列に対するハミング距離の小さいものほど前記基準となる符号配列に近くなるよう配置された第２の符号配列のうちの１つへ変換することを特徴とする音声符号化方式、
を提供する。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、請求項２の発明は、
送信手段及び伝送系を介して前記送信手段と接続された受信手段を備える音声伝送システムであって、
前記送信手段において、入力された音声信号を第１の符号配列のうちの１つを有する信号へ量子化し、この量子化された信号を、基準となる符号配列に対するハミング距離の小さいものほど前記基準となる符号配列に近くなるよう配置された第２の符号配列のうちの１つへ変換して前記伝送系へ送出し、
前記受信手段において、前記伝送系から受信された前記第２の符号配列を有する信号を前記第１の符号配列の１つへ変換し、この変換された信号を、前記第１の符号配列の１つを有する信号へ逆量子化する
ことを特徴とする音声伝送システム、
を提供する。
【００１３】
請求項３の発明は、
請求項２記載の音声伝送システムにおいて使用される送信機であって、
入力された音声信号を第１の符号配列のうちの１つを有する信号へ量子化するための量子化器と、
前記量子化器によって量子化された信号を、基準となる符号配列に対するハミング距離の小さいものほど前記基準となる符号配列に近くなるよう配置された第２の符号配列のうちの１つへ変換して前記伝送系へ送出するための変換テーブルと、
を備えることを特徴とする送信機、
を提供する。
【００１４】
また、請求項４の発明は、
請求項２記載の音声伝送システムにおいて使用される受信機であって、
前記伝送系から受信された前記第２の符号配列を有する信号を前記第１の符号配列の１つへ変換するための逆変換テーブルと、
前記逆変換テーブルから出力された信号を、前記第１の符号配列の１つを有する信号へ逆量子化するための逆量子化器と、
を備えることを特徴とする受信機、
を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。なお、図１〜図３において、既に説明した図４におけると同じ数字は、同じ又は同様の構成要素を指すものとする。
【００１６】
図１は、この発明に係る音声符号化方式を適応差分パルス符号変調システムへ適用したときのシステム構成を概略的に示すブロック図である。このシステム構成においては、図４に示す従来の適応差分パルス符号変調システムと比較すると、送信機は量子化器５の出力側に変換テーブル２１を、また、逆量子化器７の入力側に逆変換テーブル２２を更に備えている。また、受信機においても、逆量子化器８及び逆量子化器１０の入力側にそれぞれ、逆変換テーブル２２と同じ構造の逆変換テーブル２３、２４が更に設けられている。
【００１７】
以下、４ビットで量子化する場合を例にとって、図１のシステムの動作を説明する。マイクロホン１で受信された音声信号ａは、Ａ／Ｄ変換器２によって４ビットのデジタル信号ｂへ変換された後、差分器３の一方の入力端子に入力される。差分器３の他方の入力端子には、適応予測器４からの予測信号ｃが与えられる。この予測信号ｃは、現時点までの入力信号に基づいて作られた、次の時点に入力されると予測される信号である。こうして、差分器３はＡ／Ｄ変換器２からの現時点でのデジタル信号ｂと適応予測器４からの予測信号ｃとの差分を表す差分信号ｄを出力する。この差分信号ｄは量子化ビット数が４ビットの量子化器５によって量子化信号ｅへ変換される。
【００１８】
量子化器５から出力される４ビットの量子化信号ｅが取り得る符号配列は、或るタイミング時点においては、０１１１、０１１０、０１０１、０１００、００１１、００１０、０００１、００００、１１１１、１１１０、１１０１、１１００、１０１１、１０１０、１００１及び１０００のうちのいずれかであり、これらの符号配列のうちの１つを有する量子化信号ｅが変換テーブル２１に入力されることになる。
【００１９】
変換テーブル２１は、図２の表の「入力」の欄に記載された符号配列（即ち、量子化信号ｅが取り得る１６個の符号配列）を同表の「出力」の欄に記載された符号配列へ一対一対応で変換して送信信号ｎとして出力するよう動作する。当該実施の形態においては、図２に示すように、変換テーブル２１は、０１１１を００００へ、０１１０を０００１へ、０１０１を００１０へ、０１００を０１００へ、００１１を１０００へ、００１０を００１１１へ、０００１を０１１０へ、００００を１１００へそれぞれ変換し、更に、１１１１を０１０１へ、１１１０を１０１０へ、１１０１を１００１へ、１１００を１１１０へ、１０１１を１１０１へ、１０１０を１０１１へ、１００１を０１１１へ、１０００を１１１１へそれぞれ変換して出力する。
【００２０】
図２の表に示すとおり、変換テーブル２１から出力される送信信号ｎは、符号配列００００を有する信号に対して１から４までのいずれかのハミング距離を有する。即ち、変換テーブル２１から出力される信号の符号配列０００１、００１０、０１００及び１０００のハミング距離は１であり、００１１、０１１０、１１００、０１０１、１０１０及び１００１のハミング距離は２であり、１１１０、１１０１、１０１１及び０１１１のハミング距離は３であり、１１１１のハミング距離は４である。
【００２１】
この表から、
（１）量子化信号ｅが取り得る１６個の符号配列のそれぞれは、変換テーブル２１により、対応する符号配列へ変換されること、
（２）変換テーブル２１は、符号配列００００を基準にして、ハミング距離が小さい信号をなるべく近くに配置し、ハミング距離の大きい信号をなるべく遠くに配置するよう変換すること、
がわかる。これは、伝送中に１ビットの誤りが生じる確率が最も高いことを考慮した結果であり、これにより、伝送中のビット誤りに起因する聴感上の影響を軽減することができる。
【００２２】
変換テーブル２１から出力された４ビットの送信信号ｎは伝送系６へ送出される。同時に、適応予測器４において予測信号ｃを作るために、変換テーブル２１から出力された送信信号ｎは逆変換テーブル２２にも加えられる。逆変換テーブル２２は変換テーブル２１が行ったのとは逆の変換を行うテーブルであり、入力される送信信号ｎが取り得る１６個の異なるビット配列のそれぞれについて、図３に示す表にしたがって符号変換を行い、その結果を信号ｐとして出力する。即ち、逆変換テーブル２２は、００００を０１１１へ、０００１を０１１０へ、００１０を０１０１へ、０１００を０１００へ、１０００を００１１へ、００１１を００１０へ、０１１０を０００１へ、１１００を００００へ、０１０１を１１１１へ、１００１を１１０１へ、１１１０を１１００へ、１１０１を１０１１へ、１０１１を１０１０へ、０１１１を１００１へ、１１１１を１０００へそれぞれ変換する。逆変換テーブル２２の出力は４ビットの逆量子化器７に与えられ、逆量子化器７からは逆量子化された４ビットの差分信号ｆが出力されて適応予測器４に入力される。適応予測器４は、これまでに入力された差分信号ｆに基づいて、予測誤差が最小になるように予測信号ｃを適応予測し、これを差分器３に与える。
【００２３】
次に、受信機において、伝送系６から受信された受信信号ｑは逆変換テーブル２３及び２４に入力される。伝送系６において伝送誤差が発生しなければ、受信信号ｑは送信信号ｎと一致する。逆変換テーブル２３及び２４は、送信機における逆変換テーブル２２と同じ構成であり、既に説明したとおり、図３に示す表にしたがって、変換テーブル２１によって行われた符号変換とは逆の符号変換を行う。したがって、逆変換テーブル２３における逆変換の結果として出力される信号ｒ及び逆変換テーブル２４における逆変換の結果として出力される信号ｓは、送信機において作成された量子化信号ｅに相当する信号である。信号ｒは逆量子化器８よって差分信号ｈへ変換されて加算器９に印加され、信号ｓは逆変換器１０によって差分信号ｉへ変換されて適応予測器１１に入力される。
【００２４】
適応予測器１１は、これまでに入力された差分信号ｉを用いて予測信号ｊを適応予測して加算器９に与える。そこで、加算器９は逆量子化器８から入力された差分信号ｈと適応予測器１０からの予測信号ｊとを加算してデジタル信号ｋを出力する。出力されたデジタル信号ｋは１２ビットのＤ／Ａ変換器１２に入力されて音声信号ｍへ変換され、スピーカ１３から出力される。
【００２５】
以上、この発明の実施の形態を説明してきたが、この発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更や修正が可能である。例えば、図１に示す実施の形態は適応差分パルス符号変調方式を用いたシステムであるが、ここから差分器３、逆変換テーブル２２、２４、逆量子化器７、１０、適応予測器４、１１及び加算器９を取り除いて、パルス符号変調方式のシステムを構成してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１、２、４及び５に記載された発明は、伝送系で発生するビット誤りによる受信音声の劣化を軽減することができるという効果を奏する。また、請求項３に記載の発明は、送信するデータを一度変換しているので通信の秘匿性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る音声符号化方式を適応差分パルス符号変調システムに適用したときのシステム構成を概略的に示す図である。
【図２】 図１の適応差分パルス符号変調システムで使用される変換テーブルで行われる符号変換を示す図である。
【図３】 図１の適応差分パルス符号変調システムで使用される逆変換テーブルで行われる符号変換を示す図である。
【図４】 従来の適応差分パルス符号変調システムのシステム構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１：マイクロホン、 ２：Ａ／Ｄ変換器、 ３：差分器、
４：適応予測器、 ６：伝送系、 ７、８：逆量子化器、 ９：加算器、
１０：逆量子化器、 １１：適応予測器、 １２：Ｄ／Ａ変換器、
１３：スピーカ、
２１：変換テーブル、 ２２、２３、２４：逆変換テーブル、

Claims (4)

1. 入力された音声信号を第１の符号配列のうちの１つを有する信号へ量子化し、この量子化された信号を、基準となる符号配列に対するハミング距離の小さいものほど前記基準となる符号配列に近くなるよう配置された第２の符号配列のうちの１つへ変換することを特徴とする音声符号化方式。
2. 送信手段及び伝送系を介して前記送信手段と接続された受信手段を備える音声伝送システムであって、
   前記送信手段において、入力された音声信号を第１の符号配列のうちの１つを有する信号へ量子化し、この量子化された信号を、基準となる符号配列に対するハミング距離の小さいものほど前記基準となる符号配列に近くなるよう配置された第２の符号配列のうちの１つへ変換して前記伝送系へ送出し、
   前記受信手段において、前記伝送系から受信された前記第２の符号配列を有する信号を前記第１の符号配列の１つへ変換し、この変換された信号を、前記第１の符号配列の１つを有する信号へ逆量子化する
   ことを特徴とする音声伝送システム。
3. 請求項２記載の音声伝送システムにおいて使用される送信機であって、
   入力された音声信号を第１の符号配列のうちの１つを有する信号へ量子化するための量子化器と、
   前記量子化器によって量子化された信号を、基準となる符号配列に対するハミング距離の小さいものほど前記基準となる符号配列に近くなるよう配置された第２の符号配列のうちの１つへ変換して前記伝送系へ送出するための変換テーブルと、
   を備えることを特徴とする送信機。
4. 請求項２記載の音声伝送システムにおいて使用される受信機であって、
   前記伝送系から受信された前記第２の符号配列を有する信号を前記第１の符号配列の１つへ変換するための逆変換テーブルと、
   前記逆変換テーブルから出力された信号を、前記第１の符号配列の１つを有する信号へ逆量子化するための逆量子化器と、
   を備えることを特徴とする受信機。

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