JP4486387B2 - エラー補償装置およびエラー補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、オーディオ・データ再生装置等に搭載されるエラー補償装置および当該装置で使用されるエラー補償方法に関する。

近年、アナログのオーディオ・データに対し、デジタル・データへの変換を施した後に符号化するデジタルオーディオ符号化技術が様々な分野において使用されている。身近なところでは、ＭＤ（ミニ・ディスク）プレーヤー、ＩＣレコーダー、ＰＣ（パーソナル・コンピュータ）等のオーディオ記録再生装置等がこれに該当し、データをデジタル圧縮することによりオーディオ・データの記憶容量を小さくすることが可能となっている。

また、昨今では、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplex）等の無線通信技術やＡＤＳＬ（Asymmetric Digital Subscriber Line）等の有線通信技術の発達により大容量データの通信が可能になったのに伴い、オーディオ・データの通信を行うことも盛んになり、通信システムのリソースを有効利用するため、携帯電話機、モバイルＰＣ、デジタルＴＶ等の通信装置にもデジタルオーディオ符号化技術が使用されるようになってきている。

デジタルオーディオ符号化技術として、ＡＴＲＡＣ（Adaptive Transform Acoustic Coding）、ＭＰ３（MPEG-1 Audio Layer 3）、ＡＡＣ（Advanced Audio Coding）等がある。いずれの技術も、まず前処理として、アナログのオーディオ・データをサンプリングした後に量子化することによりデータのデジタル化を行っている。そして、この時間領域のデジタル・データを周波数領域のデータに変換した後に圧縮処理を施している。

例えば、オーディオ・データの場合には、４４．１ｋＨｚもしくは４８ｋＨｚ等の周波数でサンプリングが行われ、２４ｂｉｔまたは１６ｂｉｔ等のデータに量子化される。また、音声データの場合には、８ｋＨｚ等の周波数でサンプリングが行われ、８ｂｉｔデータ等に量子化される。時間領域のデータから周波数領域のデータへの変換は、データを帯域フィルタ等により帯域分割し、各帯域内でＭＤＣＴ（Modified Discrete Cosine Transform：変形離散コサイン変換）等を用いてデータ変換することにより行われる。また、圧縮処理としては、聴覚心理モデル等を用いて人間が知覚できないオーディオ成分をデータから削除する等の非可逆データ圧縮や、データをハフマン符号等のエントロピー符号化する可逆データ圧縮等が行われる。

一方、ＭＤプレーヤー等においては、連続的な振動によって記憶媒体からオーディオ・データを正常に読み取れない場合がある。また、通信システムにおいても、無線、有線を問わず、伝搬路において雑音等の影響により伝送データの一部が損失する場合がある。特に、リアルタイム性が要求される処理においては、データの再読み出しまたはデータの再送を行っている時間的余裕がないため、オーディオ・データの再生に際し、これらのエラー（読み出しエラー、データ損失）を補償しながらオーディオ・データの再生を継続する技術が必要となる。

従来のエラー補償技術として、エラーが検出された場合には、エラーを含む部分を無音化（ミュート）したり、直前のデータを繰り返して再生する処理を行うものがある。しかし、エラー部分を無音化すると音質が劣化し、また、データを繰り返して再生すると再生波形にひずみが発生して、やはり音質が劣化する。そこで、この音質劣化を防止するために、エラー・フレームの前の正常なフレームをハフマン復号したデータを用いて、この前フレームと波形的に連続した補償フレームを生成し、この補償フレームを再生することにより、音質劣化を防止する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３６６１９７号公報

しかしながら、エラー・フレームの前の正常なフレームを用いて補償フレームを生成する方法であっても、損失したフレームのデータを復元できるわけではなく、データは全く失われたままである。よって、オーディオ・データの再生精度には限界があり、音質劣化は免れないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、損失したフレームのデータを復元することができ、オーディオ・データの再生精度を向上させることができるエラー補償装置およびエラー補償方法を提供することを目的とする。

本発明のエラー補償装置は、互いに一部がオーバーラップした複数の窓関数をデータに乗じることによってそれぞれ符号化された、複数のデータを取得する取得手段と、前記取得手段によって取得されたデータを復号する復号手段と、前記複数のデータのうち前記取得手段によって取得されなかった損失データに対し、この損失データよりも前に前記取得手段によって取得されたデータの、前記損失データに乗じられた窓関数とオーバーラップして窓関数が乗じられた部分に含まれるデータを用いて前記損失データの一部を復元する復元手段と、を具備する構成を採る。

本発明のエラー補償装置は、上記の構成において、前記復元手段は、前記損失データが連続する場合、前記取得手段によって取得されたデータの代わりに、前記復元手段によって直前に復元されたデータを用いて前記損失データの一部を復元する構成を採る。

本発明のエラー補償装置は、上記の構成において、前記復元手段は、前記損失データに対し、この損失データよりも後に前記取得手段によって取得されたデータの、前記損失データに乗じられた窓関数とオーバーラップして窓関数が乗じられた部分に含まれるデータを用いて前記損失データの一部を復元する構成を採る。

本発明のエラー補償装置は、ＭＤＣＴによって符号化された複数のデータを取得する取得手段と、前記取得手段によって取得されたデータを復号する復号手段と、前記複数のデータのうち前記取得手段によって取得されなかった損失データに対し、この損失データの直前に前記取得手段によって取得されたデータの後半フレームを用いて、前記損失データの前半フレームを復元する復元手段と、を具備する構成を採る。

これらの構成によれば、エラー・データを復元することができ、符号化データの再生精度を向上させることができる。

本発明の通信端末装置は、上記いずれかに記載のエラー補償装置を具備する構成を採る。

この構成によれば、上記と同様の作用効果を有する通信端末装置を提供することができる。

本発明のエラー補償方法は、互いに一部がオーバーラップした複数の窓関数をデータに乗じることによってそれぞれ符号化された、複数のデータを取得する取得ステップと、前記取得ステップにおいて取得されたデータを復号する復号ステップと、前記複数のデータのうち前記取得ステップにおいて取得されなかった損失データに対し、この損失データよりも前に前記取得ステップにおいて取得されたデータの、前記損失データに乗じられた窓関数とオーバーラップして窓関数が乗じられた部分に含まれるデータを用いて前記損失データの一部を復元する復元ステップと、を具備するようにした。

この方法によれば、エラー・データを復元することができ、符号化データの再生精度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、エラー・データを復元することができ、符号化データの再生精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る無線受信装置１５０の主要な構成を示すブロック図である。

無線受信装置１５０は、アンテナ１５１、ＲＦ復調装置１５２、復号装置１５３、Ｄ／Ａ変換装置１５４、および出力装置１５５を有している。

アンテナ１５１は、オーディオ・データ（符号化データ）が乗った電波Ｗ１を受信して電気信号であるデジタル符号化信号を生成し、ＲＦ復調装置１５２に与える。ＲＦ復調装置１５２は、アンテナ１５１を介し受信されたデジタル符号化信号を復調して、得られた復調データを復号装置１５３に出力する。復号装置１５３は、ＲＦ復調装置１５２から出力された復調データを復号し、デジタルの復号データを生成し、Ｄ／Ａ変換装置１５４に出力する。Ｄ／Ａ変換装置１５４は、復号装置１５３から出力されたデジタルの復号データをＤ／Ａ変換し、アナログの復号信号を生成して出力装置１５５に与える。出力装置１５５は、電気的信号であるアナログの復号信号を空気の振動に変換し、音波Ｗ２として人間の耳に聴こえるように出力する。

図２は、復号装置１５３内部の主要な構成を示すブロック図である。

復号装置１５３は、復号部１００、データ損失補償部１１０、およびスイッチ１０６を有する。そして、復号部１００は、パラメータ逆量子化部１０１、ＩＭＤＣＴ部１０２、およびメモリ１０３を有する。また、データ損失補償部１１０は、メモリ１０３、ＰＬＣ（Packet Loss Concealment）部１０４、および重ね合わせ加算部１０５を有する。なお、メモリ１０３は、復号部１００とデータ損失補償部１１０とで共用である。

復号装置１５３の各部は以下の動作を行う。

図示されないフレームロス判定部は、受信したビットストリーム（符号化データ）においてフレームロス（データ損失）が発生しているか否かを判定する。そして、この判定結果を示すロスフラグをＩＭＤＣＴ部１０２、ＰＬＣ部１０４、重ね合わせ加算部１０５、およびスイッチ１０６に出力する。フレームロスが発生していないことを示すロスフラグが各部に入力された場合、ビットストリームは正常であるので、復号部１００が動作し、ビットストリームの復号が行われる。フレームロスが発生していることを示すロスフラグが各部に入力された場合、ビットストリームは正常でないため、復号部１００の代わりにデータ損失補償部１１０が補償データを生成する。スイッチ１０６は、ロスフラグの内容に応じて、復号部１００またはデータ損失補償部１１０の出力の切り替えを行い、いずれか一方から出力されたオーディオ・データを復号装置１５３の外部に出力する。

フレームロスが発生していないことを示すロスフラグがフレームロス判定部から出力された場合の復号装置１５３の動作について以下説明する。かかる場合、ビットストリームは正常であるので、復号部１００が動作する。

復号部１００内のパラメータ逆量子化部１０１は、入力されたビットストリームに対し、逆量子化の処理を施し、得られたパラメータ（ＭＤＣＴ係数）をＩＭＤＣＴ部１０２に出力する。

ＩＭＤＣＴ部１０２は、パラメータ逆量子化部１０１から出力されたＭＤＣＴ係数に対し、逆変換（ＩＭＤＣＴ）処理を施し、得られたオーディオ・データをスイッチ１０６を介して復号装置１５３の外部に出力すると共に、ＩＭＤＣＴの結果をメモリ１０３にも出力しこれを保存する。復号装置１５３に入力されたビットストリームは、送信側（符号化装置）のＭＤＣＴ部において、隣接する２つのフレームと分析フレームとを半分ずつ完全に重ね合わせ、分析フレームの前半部は奇関数、後半部は偶関数という直交基底を用いることにより時間領域データから周波数領域データへの変換（ＭＤＣＴ）がされている。そこで、ＩＭＤＣＴ部１０２は、パラメータ逆量子化部１０１から出力されたＭＤＣＴ係数に対し、それぞれ対応する奇関数および偶関数を用いて周波数領域データから時間領域データへの逆変換を行う。これにより、フレーム境界において、フレーム間の歪がキャンセルされ、歪が発生しない。

次に、フレームロスが発生していることを示すロスフラグがフレームロス判定部から出力された場合の復号装置１５３の動作について以下説明する。かかる場合、ビットストリームは正常でないため、データ損失補償部１１０が動作する。

データ損失補償部１１０内のＰＬＣ部１０４は、メモリ１０３に保存されている正常な前フレームのオーディオ・データからＡＡＣ（Advanced Audio Coding）符号化を用いて、損失フレームの補償フレームを作成する。具体的には、ＰＬＣ部１０４は、ＭＤＣＴによって時間領域のデータから周波数領域のデータに変換された入力オーディオ・データをフレーム単位で処理し、周波軸上で聴覚心理モデルを用いて冗長性を除去する。そして、冗長性が除去された信号を量子化し、最後にハフマン符号化によってロスレス符号化を行い、冗長性を除去するために使用したパラメータを補助情報として重ね合わせ加算部１０５に出力する。

重ね合わせ加算部１０５は、ＰＬＣ部１０４から出力された補償フレームとメモリ１０３に保存されていた前フレームとにそれぞれ所定の窓関数（ウィンドウ関数）を乗じる窓掛け処理を行い、窓掛け後の２つのデータを加算し、現フレームの補償データとする。この補償データは、スイッチ１０６を介して復号装置１５３の外部に出力される。

次いで、復号装置１５３の上記のデータ損失補償方法の原理について説明する。

図３は、伝送対象のビットストリームの内容（伝送前の元のオーディオ・データ）と受信オーディオ・データの内容の関係を示す図である。

無線受信装置１５０で受信されたビットストリームは、元のオーディオ・データの内容としては、隣接する２フレーム分のオーディオ・データを含んでいる。例えば、受信ビットストリームの第（Ｎ−１）フレームは、オーディオ・データとしては第（ｎ−１）フレームと第ｎフレームの内容を含んでいる。受信ビットストリームの第Ｎフレーム、第（Ｎ＋１）フレームも、同様に隣接する２フレーム分のオーディオ・データを含んでいる。そして、これらのオーディオ・データは、送信側のＭＤＣＴ部によって窓掛けが行われた後に加算され送信されるので、無線受信装置１５０が受信するオーディオ・データは、最終的に図示されたようなデータとなっている。

図４は、エラー・フレームが発生した際に、仮にエラー・フレームの前の正常なフレームを用いてデータ損失補償を行った場合の受信オーディオ・データの内容を示す図である。なお、ここでは、ビットストリームの第Ｎフレームがフレーム損失した場合を例にとって説明する。

ビットストリームの第Ｎフレームがエラー・フレームであるので、この前の正常なフレームは、ビットストリームで言うと第（Ｎ−１）フレーム、オーディオ・データで言うと第（ｎ−１）フレームおよび第ｎフレームである。よって、これらのデータを用いてデータ損失補償を行うと、得られる補償オーディオ・データの第ｎ'''フレームは、元のオーディオ・データの第ｎフレームのはじめの方に（窓掛けによって）重みが掛かったデータと、元のオーディオ・データの第ｎ−１フレームの後ろの方に重みが掛かったデータとの加算結果となっている。よって、元のオーディオ・データの第ｎフレームの後ろの方のデータは窓掛けによって減衰しているので、多くの情報を損失しており、再生時の音質は劣化する。また、本来、元のデータが異なる第ｎフレームのデータと第（ｎ−１）フレームのデータとが加算により混ざり合うので、これによっても再生時の音質は劣化する。

しかし、ＭＤＣＴのように、オーディオ・データに対し、隣接した２フレームにまたがって窓関数を乗じ、窓関数は互いに隣接フレーム間でオーバーラップしている変換方法、すなわち、重複直交変換（ＬＯＴ：Lapped Orthogonal Transform）においては、同一のフレームに対して別の窓関数（の前半部または後半部）がそれぞれ乗算され、別の変換データ（符号化データ）となるため、符号化データのうちの特定のフレームが損失したとしても、この損失フレームに隣接する前後のフレームには、損失フレームに関する情報が残っている。図５は、伝送前の元のオーディオ・データと受信オーディオ・データの内容を示す図である。受信オーディオ・データの第ｎフレームおよび第（ｎ＋１）フレームには、図の斜線部で示すように、受信ビットストリームで言うと第Ｎフレームのデータが前後の受信オーディオ・データに残っている。本発明者は、この情報を有効利用することにより、再生データの品質は改善される点を見出して本発明をするに至った。

図６は、本実施の形態に係るデータ損失補償方法の概要を説明した図である。

正常に受信された直前のフレーム（第ｎフレーム）のオーディオ・データからＡＡＣを用いて、損失したフレームの補償データを作成（復元）する。次に、この補償データに窓掛けを行い、補償フレームの第ｎ'フレームを得る。そして、正常な第ｎフレームのデータにも窓掛けを行い、補償データと窓掛けされた前フレームとを加算する。これにより、前フレームとオーバーラップする部分に関して、正常な前フレームの情報を有効活用して、より元のデータに忠実なオーディオ・データを作成することができている。

なお、損失したオーディオ・データの第（ｎ＋１）フレームについても、隣接する後ろ（直後）のフレームを用いることによって、同様の原理によって、データ損失補償を行うことができる。ただし、第（ｎ＋１）フレームは損失フレームの次のフレームであるため、損失フレームの補償を行う前に、第（ｎ＋１）フレームの復号を先に行う必要がある。

上記の動作によって、図７に示すように、ビットストリームの第Ｎフレームが前後の隣接するフレームによって補償される。例えば、補償オーディオ・データの第ｎ''フレームは、窓掛け後のデータで言うと、第ｎフレームと第ｎ'フレームとの加算によって得られている。第ｎ'フレームは、第ｎフレームに基づいて生成された補償フレームであるので、再生時に音質が良いことが期待される。また、第ｎフレームと第ｎ'フレームのデータは元が同じデータであるので、品質の良い再生音を得ることができる。

なお、データ損失が連続した場合には、正常に受信された直前のフレームから補償フレームを生成することができないので、直前の補償フレームから損失フレームを復元すれば良い。また、連続している損失フレームの最後尾のフレームについては、直後の正常フレームから補償フレームを生成すれば良い。

このように、本実施の形態によれば、正常な前後のフレームの情報を有効活用するため、より元のデータに忠実なオーディオ・データを作成することができ、再生時の音質の劣化を防止することができる。

なお、本実施の形態では、伝送対象がオーディオ・データである場合を例にとって説明したが、伝送対象は映像データ等の他のデータであっても良い。かかる場合、ＰＬＣ部１０４において使用される補償フレーム生成方法は、上記実施の形態で示したようなＡＡＣではなく、そのデータの特性に応じた別の補償方法となる。

また、本実施の形態では、伝送データの単位がフレームである場合を例にとって説明したが、これに限定されない。

また、本実施の形態では、窓掛けが、隣接する２つのフレーム（単位データ）にまたがって行われる場合を例にとって説明したが、窓掛けの対象は隣接２フレームに限定されず、本発明は、窓関数が互いに隣接フレーム間で一部オーバーラップしているような場合であれば適用できる。

また、本実施の形態では、本発明に係るデータ損失補償部（装置）を無線受信装置に搭載する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えば、有線の通信システムにおいて使用される受信装置でも良い。

また、本実施の形態では、エラー補償の一例として受信装置におけるデータ損失補償を例にとって説明したが、必ずしも受信装置である必要はなく、また、データ損失補償である必要もない。例えば、ＭＤプレーヤー等の記録再生装置におけるエラー補償であっても良い。

また、本実施の形態では、ＰＬＣ部１０４における補償フレーム生成方法がＡＡＣである場合を例にとって説明したが、補償フレーム生成方法はこれに限定されず、例えば、ＴｗｉｎＶＱ（Transform domain Weighted INterleave Vector Quantization）であっても良い。

また、符号化装置においてショートブロック（またはショートフレーム）が使用される場合には、本実施の形態に係る復号装置は、ショートブロックの符号化データに対しエラー補償を行うことができないため、フレーム損失が生じていることを復号装置から符号化装置に通知する。かかる場合、符号化装置は、ロングブロックのみを用いて符号化を行う。これにより、ショートブロックを用いると、フレーム損失が生じた場合に損失する情報が多くなってしまうのを回避することができる。

本発明に係るエラー補償装置は、上記の実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。

本発明に係るエラー補償装置は、移動体通信システム等に使用される通信端末装置および基地局装置に搭載することも可能であり、これにより上記と同様の作用効果を有する通信端末装置および基地局装置を提供することができる。

なお、ここでは、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。

本発明に係るエラー補償装置およびエラー補償方法は、オーディオ・データ再生装置、受信装置等の用途に適用できる。

実施の形態１に係る無線受信装置の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る復号装置内部の主要な構成を示すブロック図 伝送対象のビットストリームの内容と受信オーディオ・データの内容の関係を示す図 エラー・フレームの前の正常なフレームを用いてデータ損失補償を行った場合の受信オーディオ・データの内容を示す図 伝送前の元のオーディオ・データと受信オーディオ・データの内容を示す図 実施の形態１に係るデータ損失補償方法の概要を説明した図 ビットストリームが前後の隣接するフレームによって補償される場合を説明した図

符号の説明

１００ 復号部
１０２ ＩＭＤＣＴ部
１０３ メモリ
１０４ ＰＬＣ部
１０５ 重ね合わせ加算部
１１０ データ損失補償部

Claims (6)

1. 互いに一部がオーバーラップした複数の窓関数をデータに乗じることによってそれぞれ符号化された、複数のデータを取得する取得手段と、
   前記取得手段によって取得されたデータを復号する復号手段と、
   前記複数のデータのうち前記取得手段によって取得されなかった損失データに対し、この損失データよりも前に前記取得手段によって取得されたデータの、前記損失データに乗じられた窓関数とオーバーラップして窓関数が乗じられた部分に含まれるデータを用いて前記損失データの一部を復元する復元手段と、
   を具備することを特徴とするエラー補償装置。
2. 前記復元手段は、
   前記損失データが連続する場合、前記取得手段によって取得されたデータの代わりに、前記復元手段によって直前に復元されたデータを用いて前記損失データの一部を復元する、
   ことを特徴とする請求項１記載のエラー補償装置。
3. 前記復元手段は、
   前記損失データに対し、この損失データよりも後に前記取得手段によって取得されたデータの、前記損失データに乗じられた窓関数とオーバーラップして窓関数が乗じられた部分に含まれるデータを用いて前記損失データの一部を復元する、
   ことを特徴とする請求項１記載のエラー補償装置。
4. ＭＤＣＴ（Modified Discrete Cosine Transform）によって符号化された複数のデータを取得する取得手段と、
   前記取得手段によって取得されたデータを復号する復号手段と、
   前記複数のデータのうち前記取得手段によって取得されなかった損失データに対し、この損失データの直前に前記取得手段によって取得されたデータの後半フレームを用いて、前記損失データの前半フレームを復元する復元手段と、
   を具備することを特徴とするエラー補償装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のエラー補償装置を具備することを特徴とする通信端末装置。
6. 互いに一部がオーバーラップした複数の窓関数をデータに乗じることによってそれぞれ符号化された、複数のデータを取得する取得ステップと、
   前記取得ステップにおいて取得されたデータを復号する復号ステップと、
   前記複数のデータのうち前記取得ステップにおいて取得されなかった損失データに対し、この損失データよりも前に前記取得ステップにおいて取得されたデータの、前記損失データに乗じられた窓関数とオーバーラップして窓関数が乗じられた部分に含まれるデータを用いて前記損失データの一部を復元する復元ステップと、
   を具備することを特徴とするエラー補償方法。

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