JP5230782B2 - 符号化装置、階層符号化装置、復号化装置、通信端末装置、基地局装置、符号化方法、および復号化方法 - Google Patents

符号化装置、階層符号化装置、復号化装置、通信端末装置、基地局装置、符号化方法、および復号化方法 Download PDF

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Description

本発明は、広帯域の音声信号、オーディオ信号等のスペクトルを符号化する符号化装置、復号化装置、およびこれらの方法に関する。
音声符号化の分野において、５０Ｈｚ〜７ｋＨｚの広帯域信号を符号化する代表的な方法として、ＩＴＵ−Ｔの規格Ｇ７２２、Ｇ７２２．１、または３ＧＰＰ（The 3rd Generation Partnership Project）が提唱するＡＭＲ−ＷＢ等がある。これらの符号化方式によれば、ビットレートが６．６ｋｂｉｔ／ｓ〜６４ｋｂｉｔ／ｓと広帯域の音声信号の符号化を行うことができる。しかし、この広帯域信号の音質は、狭帯域信号に比べれば高いものの、オーディオ信号を対象とした場合や音声信号でもさらに高臨場感な品質が求められる場合には充分でない。
一般に、信号の最大周波数を１０〜１５ｋＨｚ程度まで広帯域化できれば、ＦＭラジオ相当の臨場感を得ることができ、２０ｋＨｚ程度まで広帯域化できればＣＤ並みの品質を得ることができる。このような広帯域信号の符号化には、ＭＰＥＧ（Moving Picture Expert Group）で規格化されているレイヤ３方式やＡＡＣ（Advanced audio coding）方式等に代表されるオーディオ信号に対する符号化方式が適している。しかし、これらのオーディオ符号化方式は、符号化対象の周波数帯域が広いため、符号化パラメータのビットレートは大きくなる。
特許文献１には、広帯域信号のスペクトルを低ビットレートで高品質に符号化する技術として、広帯域スペクトルのうち高域部のスペクトルを、低域部のスペクトルの複製で置換した後に包絡線調整を行うことにより、品質劣化を抑えつつ全体のビットレートを低減させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、スペクトルを複数のサブバンドに分割し、サブバンド毎にゲインを算出してゲインベクトルを生成し、このゲインベクトルをベクトル量子化することにより、ビットレートを低減する技術が開示されている。
特表２００１−５２１６４８号公報（第１５頁、第１図、第２図） 特開平５−２６５４８７号公報
図１Ａ〜Ｄは、特許文献１に開示されている技術を周波数帯域０≦ｋ＜ＦＨの原信号に適用したときの各スペクトルを示す図である。
図１Ａは、原信号のスペクトル、図１Ｂは、原信号のスペクトルの高域部（ＦＬ≦ｋ＜ＦＨ）を削除した後の低域スペクトル、図１Ｃは、図１Ｂの低域スペクトルの複製を高域部に挿入することにより得られる全帯域のスペクトル、図１Ｄは、高域部の包絡線調整をした後のスペクトルを示している。
このように、高域スペクトルを低域スペクトルの複製で置換した後に包絡線調整を行うのは、新たに生成される高域スペクトル（複製スペクトル）の概形が原信号の高域スペクトルの概形と大きく異なっていると、大きな品質劣化が生じることがわかっているからである。そのため、新たに生成される高域スペクトルの概形を調整することにより、原信号の高域スペクトルと新たに生成されるスペクトルとの類似度を向上させることは非常に重要なことである。
高域スペクトルの概形を調整する方法としては、例えば、複製スペクトルのエネルギーが原信号の高域スペクトルのエネルギーと一致するように、複製スペクトルに調整係数（ゲイン）を乗じることが考えられる。図２Ａ、Ｂは、この複製スペクトルにゲインを乗じる処理によって得られるスペクトルの概形の一例を示す図である。
図２Ａは、原信号のスペクトルの概形を示す図、図２Ｂは、概形調整後のスペクトルの概形を示す図である。
この図からわかるように、上記のスペクトル概形調整を行うと、得られるスペクトルには次の不具合がある。すなわち、低域スペクトルと高域スペクトルとの接続部において不連続が発生し、異音の原因となる。これは、高域スペクトル全体に一律の同一ゲインを乗じるため、高域スペクトルのエネルギーは原信号のそれに一致するものの、低域スペクトルと高域スペクトルとの間の連続性が保たれるとは限らないからである。また、低域スペクトルの概形に何か特徴的な形状があった場合、一律の同一ゲインを乗じるだけではその特徴的な形状が高域部に不適切なまま残ってしまい、これも音質劣化の一因となる。
例えば、上記のスペクトルの概形調整に特許文献２の技術を応用すること、すなわち、サブバンド分割後に各サブバンドごとにゲインを調整することにより概形調整を行うことも考えられる。図３Ａ、Ｂは、この処理によって得られるスペクトルの概形の一例を示す図である。
図３Ａは、原信号のスペクトルの概形を示す図、図３Ｂは、サブバンド分割後に各サブバンドのゲインを調整した場合のスペクトルの概形を示す図である。
この図からわかるように、特許文献２の技術を応用した場合、高域スペクトルの形状が不正確であること（元の原信号の形状を精度良く再現できないこと）が起こり得る。これは、サブバンドごとにゲインを調整する方法は、精度良く符号化を行うためにはサブバンド数を増加させ本来多くのビット数を必要とするところ、充分なビット数が配分されないために生じる。そもそも、高域スペクトルを低域スペクトルの複製で置換するのは、低ビットレート化を目的とするものであるから、この状況は当然起こり得ることである。
以上説明したように、従来の方法では、広帯域信号のスペクトルを符号化する際に、低ビットレート化を実現しつつ、原信号の高域スペクトルと新たに生成されるスペクトルとの類似度を向上させることは困難である。
よって、本発明の目的は、広帯域信号のスペクトルを符号化する際に、低ビットレート化を実現しつつ、原信号の高域スペクトルと新たに生成されるスペクトルとの類似度を向上させることができる符号化装置および符号化方法を提供することである。
本発明の符号化装置は、少なくとも低域と高域とに分けられたスペクトルを取得する取得手段と、前記低域のスペクトルを符号化して第１符号化情報を生成する第１の符号化手段と、前記第１符号化情報を復号して復号低域スペクトルを生成する第１の復号手段と、前記復号された低域スペクトルを複製して高域のスペクトルの形状を生成する生成手段と、前記高域のスペクトルを複数のサブバンドに分割し、各サブバンドのゲインを算出するゲイン算出手段と、前記高域のスペクトルのサブバンドの内、少なくとも前記低域スペクトルに隣接する前記高域スペクトルのサブバンドを含む特定のサブバンドのゲインのみを符号化する第２の符号化手段と、前記特定のサブバンド以外のサブバンドのゲインを前記特定のサブバンドのゲインを補間して求める補間手段と、前記第１および第２の符号化手段で得られる符号化情報を出力する出力手段と、を具備する構成を採る。
本発明によれば、広帯域信号のスペクトルを符号化する際に、低ビットレート化を実現しつつ、原信号の高域スペクトルと新たに生成されるスペクトルとの類似度を向上させることができる。
原信号のスペクトルを示す図 原信号のスペクトルの高域部を削除した後の低域スペクトルを示す図 低域スペクトルの複製を高域部に挿入することにより得られる全帯域のスペクトルを示す図 高域部の包絡線調整をした後のスペクトルを示す図 原信号のスペクトルの概形を示す図 概形調整後のスペクトルの概形を示す図 原信号のスペクトルの概形を示す図 サブバンド分割後に各サブバンドのゲインを調整した場合のスペクトルの概形を示す図 実施の形態１に係る無線送信装置の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る符号化装置内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る高域符号化部内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係るゲイン符号化部内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る補間演算関連の一連の処理を説明するための図 実施の形態１に係る補間演算関連の一連の処理を説明するための図 量子化点がｇ１(ｊ)の１点のみである場合を示した図 量子化点が３点の場合を示した図 量子化点が３点の場合を示した図 実施の形態１に係る符号化装置の別のバリエーションを示すブロック図 実施の形態１に係る高域符号化部の主要な構成を示すブロック図 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に係る復号化装置内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る高域復号化部内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る復号化装置の構成を示す図 実施の形態１に係る高域復号化部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る符号化装置が有線通信システムに適用された場合の送信側の主要な構成を示すブロック図 実施の形態１に係る復号化装置が有線通信システムに適用された場合の受信側の主要な構成を示すブロック図 実施の形態２に係る階層符号化装置の主要な構成を示すブロック図 実施の形態２に係るスペクトル符号化部内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態２に係る拡張帯域ゲイン符号化部内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態２に係る拡張帯域ゲイン符号化部の処理の概要を説明するための図 実施の形態２に係る拡張帯域ゲイン符号化部の処理の概要を説明するための図 実施の形態２に係る階層復号化装置の内部構成を示すブロック図 実施の形態２に係るスペクトル復号化部の内部構成を示すブロック図 実施の形態２に係る拡張帯域ゲイン復号化部内部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態３に係る拡張帯域ゲイン符号化部の主要な構成を示すブロック図 基準振幅値の算出方法を説明するための図 実施の形態３に係る補間部の補間処理を説明するための図 実施の形態３に係る復号化装置の構成について説明する図 実施の形態４に係る拡張帯域ゲイン符号化部の主要な構成を示すブロック図 実施の形態４に係る補間部のゲイン候補の配置方法を説明するための図 実施の形態４に係る拡張帯域ゲイン復号化部について説明する図
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。なお、ここでは符号化／復号化対象がオーディオ信号または音声信号である場合を例にとって説明する。また、本発明は大別して、通常の符号化（スケーラブルでない符号化）に適用される第１のケースと、スケーラブル符号化に適用される第２のケースと、が考えられる。そこで、実施の形態１では第１のケースについて、実施の形態２では第２のケースについて説明する。
（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る符号化装置が無線通信システムの送信側に搭載された場合の無線送信装置１３０の主要な構成を示すブロック図である。
この無線送信装置１３０は、符号化装置１００、入力装置１３１、Ａ／Ｄ変換装置１３２、ＲＦ変調装置１３３、およびアンテナ１３４を有する。
入力装置１３１は、人間の耳に聞こえる音波Ｗ１１を電気的信号であるアナログ信号に変換し、Ａ／Ｄ変換装置１３２に出力する。Ａ／Ｄ変換装置１３２は、このアナログ信号をディジタル信号に変換し、符号化装置１００に出力する。符号化装置１００は、入力されたディジタル信号を符号化して符号化信号を生成し、ＲＦ変調装置１３３に出力する。ＲＦ変調装置１３３は、符号化信号を変調して変調符号化信号を生成し、アンテナ１３４に出力する。アンテナ１３４は、変調符号化信号を電波Ｗ１２として送信する。
図５は、上記の符号化装置１００内部の主要な構成を示すブロック図である。ここでは、時間領域のディジタル信号が入力され、この信号を周波数領域の信号に変換してから符号化を行う場合を例にとって説明する。
符号化装置１００は、入力端子１０１、周波数領域変換部１０２、分割部１０３、低域符号化部１０４、高域符号化部１０５、多重化部１０６、および出力端子１０７を有する。
周波数領域変換部１０２は、入力端子１０１から入力された時間領域のディジタル信号に対し、周波数領域への変換を施し、周波数領域の信号であるスペクトルを生成する。なお、このスペクトルの有効周波数帯域を０≦ｋ＜ＦＨとする。周波数領域への変換方法は、離散フーリエ変換、離散コサイン変換、変形離散コサイン変換、ウェーブレット変換等を用いる。
分割部１０３は、周波数領域変換部１０２で得られたスペクトルを、低域スペクトルおよび高域スペクトルの２つの周波数帯域（バンド）のスペクトルに分割し、分割後のスペクトルを低域符号化部１０４および高域符号化部１０５に与える。具体的には、分割部１０３は、周波数領域変換部１０２から出力されたスペクトルを、有効周波数帯域０≦ｋ＜ＦＬの低域スペクトルと、有効周波数帯域ＦＬ≦ｋ＜ＦＨの高域スペクトルとに分割し、得られた低域スペクトルを低域符号化部１０４に、高域スペクトルを高域符号化部１０５にそれぞれ与える。
低域符号化部１０４は、分割部１０３から出力された低域スペクトルの符号化を行い、得られた符号化情報を多重化部１０６に出力する。なお、オーディオ・データまたは音声データの場合、低域のデータが高域のデータより重要であるため、低域符号化部１０４には高域符号化部１０５と比較してより多くのビットが配分され、高品質に符号化される。
具体的な符号化方法としては、ＭＰＥＧレイヤ３方式、ＡＡＣ方式、ＴｗｉｎＶＱ（Transform domain Weighted INterleaveVector Quantization）方式等を利用する。
高域符号化部１０５は、分割部１０３から出力された高域スペクトルに対し、後述の符号化処理を施し、得られた符号化情報（ゲイン情報）を多重化部１０６に出力する。高域符号化部１０５における符号化方法の詳細については、後述する。
多重化部１０６は、低域符号化部１０４から低域スペクトルに関する情報が入力され、一方、高域符号化部１０５からは高域スペクトルの概形を得るために必要なゲイン情報が入力される。多重化部１０６は、これらの情報を多重化した後に出力端子１０７から出力する。
図６は、上記の高域符号化部１０５内部の主要な構成を示すブロック図である。
スペクトル形状符号化部１１２は、入力端子１１１を介して、入力信号の有効周波数ＦＬ≦ｋ＜ＦＨのスペクトルＳ(ｋ)が与えられ、このスペクトルの形状の符号化を行う。具体的には、スペクトル形状符号化部１１２は、聴感的な歪が最も小さくなるようにスペクトル形状を符号化し、このスペクトル形状に関する符号化情報を多重化部１１４およびスペクトル形状復号化部１１６に与える。
なお、スペクトル形状の符号化方法としては、例えば、（式１）で表される２乗歪Ｅを最小とするときのコードベクトルＣ(ｉ，ｋ)を求め、このコードベクトルＣ(ｉ，ｋ)を出力する。
Figure 0005230782
 ここで、Ｃ(ｉ，ｋ)は符号帳に含まれる第ｉ番目のコードベクトルを表し、ｗ(ｋ)は周波数ｋの聴感的な重要度の対応する重み係数を表す。また、ＦＬおよびＦＨはそれぞれ高域スペクトルの最小周波数および最大周波数に対応するインデックスを表す。また、スペクトル形状符号化部１１２は、（式２）を最小とするコードベクトルＣ(ｉ，ｋ)を出力しても良い。
Figure 0005230782
 この式の右辺第１項は定数項なので、右辺第２項を最大とするコードベクトルを出力すると考えても良い。
スペクトル形状復号化部１１６は、スペクトル形状符号化部１１２から出力されたスペクトル形状に関する符号化情報を復号化し、得られるコードベクトルＣ(ｉ，ｋ)をゲイン符号化部１１３に与える。
ゲイン符号化部１１３は、目標信号である入力スペクトルＳ(ｋ)のスペクトル概形に、コードベクトルＣ(ｉ，ｋ)のスペクトル概形が近くなるように、コードベクトルＣ(ｉ，ｋ)のゲインを符号化し、符号化情報を多重化部１１４に与える。ゲイン符号化部１１３の処理については、後ほど詳述する。
多重化部１１４は、スペクトル形状符号化部１１２およびゲイン符号化部１１３から出力される符号化情報を多重化し、出力端子１１５を介してこれを出力する。
図７は、上記のゲイン符号化部１１３内部の主要な構成を示すブロック図である。ゲイン符号化部１１３には、入力端子１２１を介し、スペクトル形状復号化部１１６から高域スペクトルの形状が入力され、また、入力端子１２７を介し、入力スペクトルが入力される。
サブバンド振幅算出部１２２は、スペクトル形状復号化部１１６から入力されたスペクトル形状に対し、各サブバンドの振幅値を算出する。乗算部１２３は、サブバンド振幅算出部１２２から出力されるスペクトル形状の各サブバンドの振幅値に、補間部１２６から出力される各サブバンドのゲイン（後述）を乗算して振幅の調整をした後、探索部１２４に出力する。一方、サブバンド振幅算出部１２８は、入力端子１２７から入力された目標信号の入力スペクトルに対し、各サブバンドの振幅値を算出し、探索部１２４に出力する。
探索部１２４は、乗算部１２３から出力されるサブバンド振幅値と、サブバンド振幅算出部１２８から与えられる高域スペクトルのサブバンド振幅値との間の歪を算出する。具体的には、ゲイン符号帳１２５には、複数のゲイン量子化値の候補ｇ(ｊ)が予め登録されており、探索部１２４は、この複数のゲイン量子化値の候補ｇ(ｊ)のうちの１つを指定して、これについて上記の歪み（２乗歪み）を算出する。ここで、ｊは各ゲイン量子化値の候補を識別するためのインデックスである。ゲイン符号帳１２５は、探索部１２４に指定されたゲイン候補ｇ(ｊ)を補間部１２６に与える。補間部１２６は、このゲイン候補ｇ(ｊ)を用いて、未だゲインが決定されていないサブバンドのゲイン値を補間演算により算出する。そして、補間部１２６は、ゲイン符号帳１２５から与えられたゲイン候補と、算出された補間ゲイン候補と、を乗算部１２３に与える。
上記の乗算部１２３、探索部１２４、ゲイン符号帳１２５、および補間部１２６の処理は帰還ループとなっており、探索部１２４は、ゲイン符号帳１２５に登録されている全てのゲイン量子化値の候補ｇ(ｊ)について上記の歪み（２乗歪み）を算出する。そして、探索部１２４は、最も２乗歪みが最小となるゲインのインデックスｊを出力端子１２９を介して出力する。上記の処理を換言すると、探索部１２４は、まずゲイン符号帳１２５に登録されているゲイン量子化値の候補ｇ(ｊ)のうちのある特定の値を選択し、これを用いて残りのゲイン量子化値を補間することにより、擬似的な高域スペクトルを生成する。そして、この生成されたスペクトルと目標信号の高域スペクトルとを比較して２つのスペクトルの類似具合を判断し、探索部１２４は、最終的には、最初に用いたゲイン量子化値の候補ではなく、２つのスペクトルの類似具合が最も良くなるゲイン量子化値を選択し、このゲイン量子化値を示すインデックスｊを出力する。
図８Ａ、Ｂは、ゲイン符号化部１１３の上記の補間演算関連の一連の処理を説明するための図である。ここでは、高域スペクトルがサブバンド数Ｎ＝８のサブバンドからなる場合を例にとって説明する。ゲイン符号帳１２５は、第０サブバンドのゲイン候補ｇ０（ｊ）と第７サブバンドのゲイン候補ｇ１（ｊ）を要素として持つゲイン候補Ｇ(ｊ)＝｛ｇ０(ｊ)，ｇ１(ｊ)｝を有する。ここでｊは、ゲイン候補を識別するためのインデックスを表す。ゲイン符号帳１２５は、充分な長さの学習用データを用いてあらかじめ設計されている。そのため、適切なゲイン候補が既に格納されている状態にある。
ゲイン候補Ｇ(ｊ)は、スカラー値であってもベクトル値であっても良いが、ここでは２次元ベクトルとして説明する。補間部１２６は、このゲイン候補Ｇ(ｊ)を用いて、未だゲインが決定されていないサブバンドに対するゲインを補間により算出する。
具体的には、補間処理は、図８Ｂに示すように行われる。第０サブバンドのゲインはｇ０(ｊ)、第７サブバンドのゲインはｇ１(ｊ)で与えられ、それ以外のサブバンドのゲインがｇ０(ｊ)およびｇ１(ｊ)を線形補間することにより、内挿値として与えられる。
このように、本実施の形態に係る符号化装置によれば、入力された符号化対象の広帯域のスペクトルを少なくとも低域のスペクトルと高域のスペクトルとに分け、高域スペクトルに対しては、さらにこのスペクトルを複数のサブバンドに分割し、この複数のサブバンドの中から一部のサブバンドを選択し、選択されたサブバンドのゲインのみを符号化（量子化）対象とする。よって、全てのサブバンドについて符号化するわけではないので、少ない符号量で効率的にゲインを符号化することができる。なお、ここで、高域スペクトルに対して上記の処理を施すのは、入力信号がオーディオ信号、音声信号等である場合、高域のデータは、低域のデータに比べて重要度が低いためである。
また、以上の構成において、本実施の形態に係る符号化装置は、高域スペクトルにおいて、選択されなかったサブバンドのゲインに対しては、選択されたゲインを互いに補間することにより表す。よって、符号量をあるレベルで維持したまま、スペクトル概形の変化を滑らかに近似しながらゲインを決定することができる。すなわち、少ないビット数で異音の発生を抑えることができ、品質が向上する。よって、広帯域信号のスペクトルを符号化する際に、低ビットレート化を実現しつつ、原信号の高域スペクトルと新たに生成されるスペクトルとの類似度を向上させることができる。
本発明は、スペクトルの概形が周波数軸方向に滑らかに変化する点に着目し、この性質を利用して、符号化対象の点（量子化点）を一部に限定し、この量子化点のみを符号化し、残りのサブバンドについては、量子化点のゲインを相互に補間することにより求めることとしたものである。
また、以上の構成において、本実施の形態に係る符号化装置を搭載した送信装置は、選択されたサブバンドの量子化ゲインのみを送信し、補間によって得られるゲインは送信しない。一方、受信装置に搭載された復号化装置は、送信された量子化ゲインを受信して復号化すると共に、送信されていないサブバンドのゲインについては、送信されたゲインを互いに補間することにより得る。これらの構成を採ることにより、送受信装置間の伝送レートが低下するため、通信システムの負荷を軽減することができる。
なお、本実施の形態では、ゲインを線形補間する場合を例にとって説明したが、補間方法はこれに限定されず、例えば、スペクトルの特性上、１次関数以外の関数で補間を行った方が符号化性能が向上することがわかっている場合には、その関数を補間演算に用いても良い。
また、本実施の形態では、量子化点として上記の位置のサブバンドのゲインを選択する場合、すなわち、ｇ０(ｊ)が高域スペクトルの最小周波数のサブバンドのゲインであり、ｇ１(ｊ)が高域スペクトルの最高周波数のサブバンドのゲインである場合を例にとって説明した。量子化点の位置は、必ずしもこれらの設定に限定されるわけではないが、以下の条件を満たすことにより、補間による誤差が小さくなることが期待される。特に、ｇ０(ｊ)の位置は、低域スペクトルと高域スペクトルとの連続性を維持するために、低域スペクトルと高域スペクトルとの接続部である周波数ＦＬの近傍の位置に設定することが望ましい。しかし、ｇ０(ｊ)の位置をこのように設定しても低域スペクトルと（新たに生成される）高域スペクトルとが滑らかに接続されるとは限らない。だが、連続性を少なくとも維持すれば、大きな音質劣化はないものと考えられる。また、ｇ１(ｊ)を高域スペクトルの最大周波数のサブバンド（要は高域スペクトルの右端）の位置に設定することにより、少なくともこの位置のゲインを特定できれば、一般的には、高域スペクトル全体の概形を粗い精度であるかもしれないが効率よく表現できると考えられる。しかし、ｇ１(ｊ)の位置は、例えば、ＦＬとＦＨの中間位置であっても良い。
また、本実施の形態では、量子化点がｇ０(ｊ)とｇ１(ｊ)との２点である場合を例にとって説明したが、量子化点は１点であっても良い。以下、かかる場合について図面を用いて詳細に説明する。
図９は、量子化点がｇ１(ｊ)の１点のみである場合を示した図である。この図で、ＳＬは低域スペクトル、ＳＨは高域スペクトルを表している。このように、低域スペクトルの最大周波数のサブバンドのゲイン値は、高域スペクトルの最小周波数のサブバンドのゲイン値と大きく変わらないことが期待できるので、ｇ０(ｊ)の代わりに低域スペクトルの最大周波数のサブバンドのゲイン値を用いる。これにより、ｇ０(ｊ)を求めなくても上記のゲイン補間が可能となる。
また、量子化点は３点以上であっても良い。図１０Ａ、Ｂは、量子化点が３点の場合を示した図である。
この図に示されるように、３つのサブバンドで決定されたサブバンドゲインを用い、それ以外のサブバンドのゲインを補間により決定する。このように、３以上の量子化点を利用することで、２点は高域スペクトルの端部（ＦＬまたはＦＨ）のゲインを表すために使用するとしても、少なくとも１点は高域スペクトルの中央部（端部以外の部分）に配置することができる。よって、高域スペクトルの概形に特徴的な部分、例えば、山（極大点）もしくは谷（極小点）が存在する場合でも、この山もしくは谷に量子化点１つを割り当てることにより、精度良く高域スペクトルの概形を表現した符号化パラメータを生成することが可能となる。ただし、量子化点を３以上に増やすと、スペクトル概形の細かい変化はより忠実に符号化することができるが、トレードオフで符号化効率は低下する。
また、本実施の形態では、符号化方法が、複数のサブバンドの中から量子化点を一部選択するステップと、残りのゲインについては補間演算によってそのゲインを得るステップとからなる場合を例にとって説明したが、量子化点を一部に限定することのみでも、低ビットレート化は実現できるため、高い符号化性能が要求されない場合には、補間演算のステップは省略し、量子化点を一部選択するステップのみでも良い。
また、本実施の形態では、帯域を等間隔に分割してサブバンドを生成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Ｂａｒｋスケールを用いた非線形な分割法を適用しても良い。
また、本実施の形態では、入力ディジタル信号を周波数領域に直接変換し帯域分割を行っている場合を例にとって説明したが、これに限定されない。
図１１は、上記の符号化装置１００の別のバリエーション（符号化装置１００ａ）を示すブロック図である。なお、同一の構成要素には同一の符号を付している。
この図に示すように、入力ディジタル信号をフィルタ処理によって帯域分割する構成を採っても良い。この場合、多相（Polyphase）フィルタ、直交鏡像（Quadrature Mirror）フィルタ等を用いて帯域分割を行う。
図１２は、符号化装置１００ａ内の高域符号化部１０５ａの主要な構成を示すブロック図である。なお、高域符号化部１０５と同一の構成要素には同一の符号を付している。高域符号化部１０５と高域符号化部１０５ａの違いは、周波数領域変換部がどこに設置されているかである。
以上、符号化側の構成について詳細に説明した。次いで、復号化側の構成について以下詳細に説明する。
図１３は、本実施の形態に係る無線送信装置１３０から送信された信号を受信する無線受信装置１８０の主要な構成を示すブロック図である。
この無線受信装置１８０は、アンテナ１８１、ＲＦ復調装置１８２、復号化装置１５０、Ｄ／Ａ変換装置１８３、および出力装置１８４を有している。
アンテナ１８１は、電波Ｗ１２としてのディジタルの符号化音響信号を受けて電気信号のディジタルの受信符号化音響信号を生成してＲＦ復調装置１８２に与える。ＲＦ復調装置１８２は、アンテナ１８１からの受信符号化音響信号を復調して復調符号化音響信号を生成して復号化装置１５０に与える。
復号化装置１５０は、ＲＦ復調装置１８２からのディジタルの復調符号化音響信号を受けて復号化処理を行ってディジタルの復号化音響信号を生成してＤ／Ａ変換装置１８３に与える。Ｄ／Ａ変換装置１８３は、復号化装置１５０からのディジタルの復号化音声信号を変換してアナログの復号化音声信号を生成して出力装置１８４に与える。出力装置１８４は、電気的信号であるアナログの復号化音声信号を空気の振動に変換して音波Ｗ１３として人間の耳に聴こえるように出力する。
図１４は、上記の復号化装置１５０内部の主要な構成を示すブロック図である。
分離部１５２は、入力端子１５１を介して入力された復調符号化音響信号から低域符号化パラメータと高域符号化パラメータとを分離し、各符号化パラメータを低域復号化部１５３と高域復号化部１５４とにそれぞれ与える。低域復号化部１５３は、低域符号化部１０４の符号化処理により得られる符号化パラメータを復号して低域復号スペクトルを生成し結合部１５５に与える。高域復号化部１５４は、高域符号化パラメータを用いて復号処理を行い、高域復号スペクトルを生成して結合部１５５に与える。なお、この高域復号化部１５４の詳細については後述する。結合部１５５は、低域復号スペクトルと高域復号スペクトルとを結合し、結合後のスペクトルを時間領域変換部１５６に与える。時間領域変換部１５６は、結合後のスペクトルを時間領域に変換し、かつ連続するフレーム間で不連続が生じにくくなるように窓掛けおよび重ね合わせ加算等の処理を行い、出力端子１５７から出力する。
図１５は、高域復号化部１５４内部の主要な構成を示すブロック図である。
分離部１６２は、入力端子１６１を介して入力された高域符号化パラメータから、スペクトル形状コードとゲインコードとを分離し、各々をスペクトル形状復号化部１６３およびゲイン復号化部１６４に与える。スペクトル形状復号化部１６３は、スペクトル形状コードを参照して符号帳からコードベクトルＣ(ｉ，ｋ)を選択し、乗算部１６５に与える。ゲイン復号化部１６４は、ゲインコードに基づいてゲインを復号し乗算部１６５に与える。なお、このゲイン復号化部１６４の詳細については実施の形態２において詳述する。乗算部１６５は、スペクトル形状復号化部１６３で選択されたコードベクトルＣ(ｉ，ｋ)と、ゲイン復号化部１６４で復号されたゲインとを乗算し、出力端子１６６を介して出力する。
なお、符号化側の構成が図１１に示した符号化装置１００ａのように、帯域分割フィルタによる低域信号と高域信号とへの帯域分割を行う構成である場合には、対応する復号化装置の構成は、図１６に示される構成（復号化装置１５０ａ）となる。なお、同一の構成要素には同一の符号を付している。また、図１７は、復号化装置１５０ａ内の高域復号化部１５４ａの主要な構成を示すブロック図である。高域復号化部１５４と同一の構成要素には同一の符号を付している。高域復号化部１５４と高域復号化部１５４ａの違いは、周波数領域変換部がどの位置に設置されるかである。
このように、上記の復号化装置によれば、本実施の形態に係る符号化装置によって符号化された情報を復号化することができる。
なお、本実施の形態では、入力信号の周波数帯域を２つの帯域に分割する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、２以上の帯域に分割して、そのうちの１または複数の帯域に対して、既に説明した上記のスペクトルの符号化処理を行うことが可能である。
また、本実施の形態では、時間領域の信号が入力される場合を例にとって説明したが、周波数領域の信号が直接入力されても良い。
なお、ここでは、本実施の形態に係る符号化装置または復号化装置が無線通信システムに適用される場合を例にとって説明したが、本実施の形態に係る符号化装置または復号化装置は、以下に示すように、有線通信システムにも適用することができる。
図１８Ａは、本実施の形態に係る符号化装置が有線通信システムに適用された場合の送信側の主要な構成を示したブロック図である。なお、図４に既に示した構成要素と同一のものには同一の符号を付し、その説明を省略する。
有線送信装置１４０は、符号化装置１００、入力装置１３１、およびＡ／Ｄ変換装置１３２を有し、出力がネットワークＮ１に接続されている。
Ａ／Ｄ変換装置１３２の入力端子は、入力装置１３１の出力端子に接続されている。符号化装置１００の入力端子は、Ａ／Ｄ変換装置１３２の出力端子に接続されている。符号化装置１００の出力端子はネットワークＮ１に接続されている。
入力装置１３１は、人間の耳に聞こえる音波Ｗ１１を電気的信号であるアナログ信号に変換してＡ／Ｄ変換装置１３２に与える。Ａ／Ｄ変換装置１３２は、アナログ信号をディジタル信号に変換して符号化装置１００に与える。符号化装置１００は、入力されてくるディジタル信号を符号化してコードを生成し、ネットワークＮ１に出力する。
図１８Ｂは、本実施の形態に係る復号化装置が有線通信システムに適用された場合の受信側の主要な構成を示したブロック図である。なお、図１３に既に示した構成要素と同一のものには同一の符号を付し、その説明を省略する。
有線受信装置１９０は、ネットークＮ１に接続されている受信装置１９１、復号化装置１５０、Ｄ／Ａ変換装置１８３、および出力装置１８４を有している。
受信装置１９１の入力端子は、ネットワークＮ１に接続されている。復号化装置１５０の入力端子は、受信装置１９１の出力端子に接続されている。Ｄ／Ａ変換装置１８３の入力端子は、復号化装置１５０の出力端子に接続されている。出力装置１８４の入力端子は、Ｄ／Ａ変換装置１８３の出力端子に接続されている。
受信装置１９１は、ネットワークＮ１からのディジタルの符号化音響信号を受けてディジタルの受信音響信号を生成して復号化装置１５０に与える。復号化装置１５０は、受信装置１９１からの受信音響信号を受けてこの受信音響信号に復号化処理を行ってディジタルの復号化音響信号を生成してＤ／Ａ変換装置１８３に与える。Ｄ／Ａ変換装置１８３は、復号化装置１５０からのディジタルの復号音声信号を変換してアナログの復号音声信号を生成して出力装置１８４に与える。出力装置１８４は、電気的信号であるアナログの復号音響信号を空気の振動に変換して音波Ｗ１３として人間の耳に聴こえるように出力する。
このように、上記の構成によれば、上記の無線送受信装置と同様の作用効果を有する有線送受信装置を提供することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態の特徴は、本発明の符号化装置および復号化装置が、周波数軸方向にスケーラビリティを有する帯域スケーラブル符号化に適用されている点である。
図１９は、本発明の実施の形態２に係る階層符号化装置２００の主要な構成を示すブロック図である。
階層符号化装置２００は、入力端子２２１、ダウンサンプリング部２２２、第１レイヤ符号化部２２３、第１レイヤ復号化部２２４、遅延部２２６、スペクトル符号化部２１０、多重化部２２７、および出力端子２２８を有する。
入力端子２２１には、Ａ／Ｄ変換装置１３２から有効周波数帯域が０≦ｋ＜ＦＨの信号が入力される。ダウンサンプリング部２２２は、入力端子２２１を介し入力された信号にダウンサンプリングを施してサンプリングレートの低い信号を生成し、出力する。第１レイヤ符号化部２２３は、このダウンサンプリング後の信号を符号化し、得られた符号化パラメータを多重化部（マルチプレクサ）２２７に出力すると共に、第１レイヤ復号化部２２４にも出力する。第１レイヤ復号化部２２４は、この符号化パラメータを基に第１レイヤの復号信号を生成する。
一方、遅延部２２６は、入力端子２２１を介し入力される信号に対し、所定の長さの遅延を与える。この遅延の大きさは、信号がダウンサンプリング部２２２、第１レイヤ符号化部２２３，第１レイヤ復号化部２２４を介した際に生じる時間遅れと同値とする。スペクトル符号化部２１０は、第１レイヤ復号化部２２４から出力される信号を第１信号として、また遅延部２２６から出力される信号を第２信号としてスペクトル符号化を行い、生成した符号化パラメータを多重化部２２７に出力する。多重化部２２７は、第１レイヤ符号化部２２３で求められる符号化パラメータとスペクトル符号化部２１０で求められる符号化パラメータとを多重化し、出力コードとして出力端子２２８を介し出力する。この出力コードは、ＲＦ変調装置１３３に与えられる。
図２０は、上記のスペクトル符号化部２１０内部の主要な構成を示すブロック図である。
スペクトル符号化部２１０は、入力端子２０１、２０４、周波数領域変換部２０２、２０５、拡張帯域スペクトル推定部２０３、拡張帯域ゲイン符号化部２０６、多重化部２０７、および出力端子２０８を有する。
入力端子２０１には、第１レイヤ復号化部２２４にて復号された信号が入力される。この信号の有効周波数帯域は０≦ｋ＜ＦＬである。また、入力端子２０４には、遅延部２２６から有効周波数帯域が０≦ｋ＜ＦＨ（ただし、ＦＬ＜ＦＨ）の第２信号が入力される。
周波数領域変換部２０２は、入力端子２０１から入力される第１信号に周波数変換を行い、第１スペクトルＳ１(ｋ)を算出する。一方、周波数領域変換部２０５は、入力端子２０４から入力される第２信号に周波数変換を行い、第２スペクトルＳ２(ｋ)を算出する。ここで周波数変換の方法は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、離散コサイン変換（ＤＣＴ）、変形離散コサイン変換（ＭＤＣＴ）等を適用する。
拡張帯域スペクトル推定部２０３は、第２スペクトルＳ２(ｋ)を参照信号として第１スペクトルＳ１(ｋ)の帯域ＦＬ≦ｋ＜ＦＨに含めるべきスペクトルを推定し、推定スペクトルＥ(ｋ)（ただし、ＦＬ≦ｋ＜ＦＨ）を求める。ここで推定スペクトルＥ(ｋ)は、第１スペクトルＳ１(ｋ)の低域（０≦ｋ＜ＦＬ）に含まれるスペクトルに基づいて推定される。
拡張帯域ゲイン符号化部２０６は、推定スペクトルＥ(ｋ)に乗ずべきゲインを推定スペクトルＥ(ｋ)と第２スペクトルＳ２(ｋ)とを用いて符号化する。ここでの処理は、いかに少ない符号量で効率よく拡張帯域における推定スペクトルＥ(ｋ)のスペクトル概形を第２スペクトルＳ２(ｋ)のスペクトル概形に近づけるかが重要である。この成否により、音質が大きく左右される。
多重化部２０７は、拡張帯域スペクトル推定部２０３から拡張帯域の推定スペクトルに関する情報が入力され、かつ拡張帯域ゲイン符号化部２０６から拡張帯域のスペクトル概形を得るために必要なゲイン情報が入力される。これらの情報を多重化した後に出力端子２０８から出力する。
図２１は、上記の拡張帯域ゲイン符号化部２０６内部の主要な構成を示すブロック図である。
この拡張帯域ゲイン符号化部２０６は、入力端子２１１、２１７、サブバンド振幅算出部２１２、２１８、ゲイン符号帳２１５、補間部２１６、乗算部２１３、探索部２１４、および出力端子２１９を有する。
入力端子２１１から推定スペクトルＥ(ｋ)が入力され、入力端子２１７から第２スペクトルＳ２(ｋ)が入力される。サブバンド振幅算出部２１２では、拡張帯域をサブバンドに分割し、サブバンド毎の推定スペクトルＥ(ｋ)の振幅値を算出する。拡張帯域をＦＬ≦ｋ＜ＦＨと表すと、拡張帯域の帯域幅ＢＷは（式３）と表される。
ＢＷ ＝ ＦＨ−ＦＬ＋１ ・・・（式３）
この拡張帯域をＮ個のサブバンドに分割すると、各サブバンドのバンド幅ＢＷＳは（式４）と表される。
ＢＷＳ ＝ （ＦＨ−ＦＬ＋１）／Ｎ ・・・（式４）
よって、第ｎサブバンドの最小周波数ＦＬ(ｎ)は（式５）と表され、第ｎサブバンドの最大周波数ＦＨ(ｎ)は（式６）と表される。
ＦＬ(ｎ) ＝ ＦＬ ＋ ｎ・ＢＷＳ ・・・（式５）
ＦＨ(ｎ) ＝ ＦＬ ＋ （ｎ＋１）・ＢＷＳ − １ ・・・（式６）
このように規定されるサブバンド毎に推定スペクトルＥ(ｋ)の振幅値ＡＥ(ｎ)を（式７）に従い算出する。
Figure 0005230782
同様に、サブバンド振幅算出部２１８は、第２スペクトルＳ２(ｋ)のサブバンド毎の振幅値ＡＳ２(ｎ)を（式８）に従って算出する。
Figure 0005230782
一方、ゲイン符号帳２１５は、Ｊ個のゲイン量子化値の候補Ｇ(ｊ)（ただし、０≦ｊ＜Ｊ）を有し、全てのゲイン候補について次に示すような処理を施す。ゲイン候補Ｇ(ｊ)はスカラー値であってもベクトル値であっても良いが、ここでは説明のために２次元のベクトルであるものとする（すなわち、ｇ(ｊ)＝｛ｇ０(ｊ)，ｇ１(ｊ)｝）。ゲイン符号帳２１５は、充分な長さの学習用データを用いてあらかじめ設計されている。そのため、適切なゲイン候補が既に格納されている状態にある。
図２２Ａ、Ｂは、拡張帯域ゲイン符号化部２０６の処理の概要を説明するための図である。ここでも、サブバンド数Ｎ＝８の場合を例にとって説明する。
図２２Ａに示されるように、ゲイン候補Ｇ(ｊ)の第１要素ｇ０(ｊ)を第０サブバンドゲイン、第２要素ｇ１(ｊ)を第７サブバンドゲインとして、それぞれを第１サブバンドおよび第７サブバンドに配置する。
補間部２１６は、このゲイン候補Ｇ(ｊ)を用いて、未だゲインが決定されていないサブバンドに対するゲインを補間により算出する。
具体的には、その様子を図２２Ｂに示す。第０サブバンドのゲインはｇ０(ｊ)、第７サブバンドのゲインはｇ１(ｊ)で与えられ、それ以外のサブバンドのゲインはｇ０(ｊ)およびｇ１(ｊ)の内挿値として与えられる。このような考えに基づくと、第ｎサブバンドのゲインｐ(ｊ，ｎ)は、（式９）のように表すことができる。
Figure 0005230782
このように算出されたサブバンドゲインの候補ｐ(ｊ，ｎ)は乗算部２１３に与えられる。乗算部２１３では、サブバンド振幅算出部２１２より与えられるサブバンド振幅値ＡＥ(ｎ)と、補間部２１６から与えられるサブバンドゲインの候補ｐ(ｊ，ｎ)とを要素ごとに乗算する。乗算後のサブバンド振幅値をＡＥ’(ｎ)と表すと、ＡＥ’(ｎ)は（式１０）に従って算出され、探索部２１４に与えられる。
ＡＥ’(ｎ) ＝ ＡＥ(ｎ)・ｐ(ｊ，ｎ) ・・・（式１０）
探索部２１４は、乗算後のサブバンド振幅値ＡＥ’(ｎ)とサブバンド振幅算出部２１８より与えられる第２スペクトルのサブバンド振幅値ＡＳ２(ｋ)との間の歪を算出する。なお、ここでは説明の簡単のため、２乗歪みを用いる場合を例にとって説明するが、歪みの定義としては、例えば要素ごとに聴覚感度に基づいた重み付けを行う距離尺度等を用いることもできる。
探索部２１４は、ＡＥ’(ｎ)とＡＳ２(ｎ)の２乗歪Ｄを、（式１１）に従い算出する。
Figure 0005230782
 または、２乗歪Ｄを（式１２）としても良い。
Figure 0005230782
 この場合、ｗ(ｎ)は聴覚感度に基づいた重み関数を表す。
ゲイン符号帳２１５に含まれる全てのゲイン量子化値の候補Ｇ(ｊ)について、上記処理に従い２乗歪Ｄを算出し、その中で最も２乗歪Ｄが最小となるときのゲインのインデックスｊを出力端子２１９を介して出力する。
このような処理に基づくと、スペクトル概形の変化を滑らかに近似しながらゲインを決定することができるため、少ないビット数であっても異音の発生が抑えられ品質が改善する。
また、本実施の形態では、サブバンド振幅の大きさを基準に補間を行いゲインを決定しているが、サブバンド振幅の代わりにサブバンド対数エネルギーを基準に補間を行う構成であっても良い。この場合、人間の聴覚特性に適合する対数エネルギーの領域でスペクトル概形が滑らかに変化するようゲインを決定するので、より聴感的に品質が改善されるという効果が得られる。
図２３は、上記の階層符号化装置２００で符号化された情報を復号化する階層復号化装置２５０の内部構成を示すブロック図である。ここでは、階層符号化された符号化パラメータを復号する場合を例にとって説明する。
この階層復号化装置２５０は、入力端子１７１、分離部１７２、第１レイヤ復号化部１７３、スペクトル復号化部２６０、および出力端子１７６、１７７を有する。
入力端子１７１には、ＲＦ復調装置１８２からディジタルの復調符号化音響信号が入力される。分離部１７２は、入力端子１７１を介し入力された復調符号化音響信号を分離し、第１レイヤ復号化部１７３用の符号化パラメータとスペクトル復号化部２６０用の符号化パラメータとを生成する。第１レイヤ復号化部１７３は、分離部１７２で得られた符号化パラメータを用いて信号帯域０≦ｋ＜ＦＬの復号信号を復号し、この復号信号をスペクトル復号化部に与える。また、他方の出力は、出力端子１７６に接続されている。これにより、第１レイヤ復号化部１７３で生成される第１レイヤ復号信号を出力する必要が生じた場合には、この出力端子１７６を介し出力させることができる。
スペクトル復号化部２６０には、分離部１７２で分離された符号化パラメータと第１レイヤ復号化部より得られる第１レイヤ復号信号とが与えられる。スペクトル復号化部２６０は、後述するスペクトル復号化を行い、信号帯域０≦ｋ＜ＦＨの復号信号を生成し、出力端子１７７を介しこれを出力する。スペクトル復号化部２６０では、第１レイヤ復号化部より与えられる第１レイヤ復号信号を第１信号とみなして処理を行うことになる。
この構成によれば、第１レイヤ復号化部１７３で生成される第１レイヤ復号信号を出力する必要がある場合には、出力端子１７６より出力させることができる。また、より品質の高いスペクトル復号化部２６０の出力信号を出力する必要がある場合には、出力端子１７７より出力させることができる。階層復号化装置２５０からは、出力端子１７６もしくは出力端子１７７のいずれか一方の信号が出力され、Ｄ／Ａ変換装置１８３に与えられる。どちらの信号が出力されるかは、アプリケーションやユーザの設定や判定結果に基づく。
図２４は、上記のスペクトル復号化部２６０の内部構成を示すブロック図である。
このスペクトル復号化部２６０は、入力端子２５１、２５３、分離部２５２、周波数領域変換部２５４、拡張帯域推定スペクトル付与部２５５、拡張帯域ゲイン復号化部２５６、乗算部２５７、時間領域変換部２５８、および出力端子２５９を有する。
入力端子２５１から、スペクトル符号化部２１０にて符号化された符号化パラメータが入力され、分離部２５２を介して拡張帯域推定スペクトル付与部２５５および拡張帯域ゲイン復号化部２５６にそれぞれ符号化パラメータが入力される。さらに、入力端子２５３には、有効周波数帯域が０≦ｋ＜ＦＬの第１信号が入力される。この第１信号は、第１レイヤ復号化部１７３で復号された第１レイヤ復号信号である。
周波数領域変換部２５４は、入力端子２５３から入力された時間領域信号に周波数変換を行い、第１スペクトルＳ１(ｋ)を算出する。周波数変換法は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、離散コサイン変換（ＤＣＴ）、変形離散コサイン変換（ＭＤＣＴ）等を使用する。
拡張帯域推定スペクトル付与部２５５は、周波数領域変換部２５４より与えられる第１スペクトルＳ１(ｋ)の拡張帯域ＦＬ≦ｋ＜ＦＨに含まれるスペクトルを分離部２５２より得られる符号化パラメータを基に生成する。この生成の方法は、符号化側で用いた拡張帯域スペクトルの推定法に依存するが、ここでは第１スペクトルＳ１(ｋ)を用いて拡張帯域に含まれる推定スペクトルＥ(ｋ)を生成するものとする。よって、拡張帯域推定スペクトル付与部２５５より出力される結合スペクトルＦ(ｋ)は、帯域０≦ｋ＜ＦＬにおいては第１スペクトルＳ１(ｋ)、帯域ＦＬ≦ｋ＜ＦＨにおいては拡張帯域推定スペクトルＥ(ｋ)により構成される。
拡張帯域ゲイン復号化部２５６は、分離部２５２より与えられる符号化パラメータを基に結合スペクトルＦ(ｋ)の拡張帯域ＦＬ≦ｋ＜ＦＨに含まれるスペクトルに乗算されるサブバンドゲインｐ(ｊ，ｎ)を生成する。サブバンドゲインｐ(ｊ，ｎ)を生成する方法については後述する。
乗算部２５７は、拡張帯域推定スペクトル付与部２５５より与えられる結合スペクトルＦ(ｋ)の拡張帯域ＦＬ≦ｋ＜ＦＨに含まれるスペクトルにサブバンド単位に拡張帯域ゲイン復号化部２５６より与えられるサブバンドゲインｐ(ｊ，ｎ)を乗算し、復号スペクトルＦ’(ｋ)を生成する。復号スペクトルＦ’(ｋ)は、（式１３）のように表すことができる。
Figure 0005230782
時間領域変換部２５８は、乗算部２５７より得られた復号スペクトルＦ’(ｋ)を時間領域の信号に変換し、出力端子２５９を介し出力する。ここでは、必要に応じて、適切な窓掛けおよび重ね合わせ加算等の処理を行い、フレーム間に生じる不連続を回避する。
図２５は、上記の拡張帯域ゲイン復号化部２５６内部の主要な構成を示すブロック図である。
入力端子２６１から、符号化側の拡張帯域ゲイン符号化部２０６で決定されたインデックスｊが入力され、このインデックス情報を基にゲイン符号帳２６２よりゲインＧ(ｊ)が選択され出力される。このゲインＧ(ｊ)は補間部２６３に与えられ、補間部２６３では、前述の方法に従って補間を行いサブバンドゲインｐ(ｊ，ｎ)を生成し、出力端子２６４より出力する。
この構成によれば、スペクトル概形の変化を滑らかに近似しながら決定されたゲインを復号することができるため、異音の発生等が抑えられ品質が改善するという効果が得られる。
このように、本実施の形態の復号化装置によれば、本実施の形態に係る符号化方法に対応した構成を有しているため、少ないビット数で効率よく符号化された音響信号を復号することができ、良好な音響信号を出力することができる。
（実施の形態３）
図２６は、本発明の実施の形態３に係る符号化装置内の拡張帯域ゲイン符号化部３０１の主要な構成を示すブロック図である。なお、この拡張帯域ゲイン符号化部３０１は、実施の形態２で示した拡張帯域ゲイン符号化部２０６と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態の特徴は、ゲイン符号帳に含まれるゲイン量子化値の候補Ｇ(ｊ)の次数が１、つまりスカラー値であり、ゲインの補間は入力端子より与えられる基準振幅値を基に求められる基準ゲインとゲイン量子化値の候補Ｇ(ｊ)との間で行われる点にある。この構成によれば、量子化の対象となるゲインの数が１へと削減されるため、低ビットレート化が可能になるという効果が得られる。
基準ゲイン算出部３０３には、入力端子３０２から入力される基準振幅値とサブバンド振幅算出部２１２で算出されたサブバンド振幅値の内、最低域のサブバンド振幅値が与えられる。ここで基準振幅値には、図２７に示されるように、拡張帯域に隣接する帯域に含まれるスペクトルから算出されるものとする。基準ゲイン算出部３０３は、基準振幅値と最低域サブバンド振幅値が一致するという仮定が成り立つよう基準ゲインを決定する。基準振幅値をＡｂ、最低域サブバンド振幅値をＡＥ(０)と表すと、基準ゲインｇｂは（式１４）のように表される。
ｇｂ ＝ Ａｂ／ＡＥ(０) ・・・（式１４）
補間部３０４は、基準ゲイン算出部３０３で求められる基準ゲインｇｂと、ゲイン符号帳２１５から得られるゲイン量子化値の候補ｇ(ｊ)とを用い、図２８に示すように、補間によりゲインが未定義となっているサブバンドのゲインを生成する。なお、この図では、サブバンド数Ｎ＝８となっており、また補間によりゲインが生成されるサブバンドは第１〜第６サブバンドとなる。
次いで、本実施の形態に係る符号化装置によって符号化された信号を復号する復号化装置の構成について図２９を用いて説明する。この拡張帯域ゲイン復号化部３５０は、実施の形態２で示した拡張帯域ゲイン復号化部２５６（図２５参照）と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
入力端子３５１より基準振幅値Ａｂと、入力端子３５２から拡張帯域の推定スペクトルの内の最低域サブバンドのサブバンド振幅値ＡＥ(０)が与えられる。ここで基準振幅値には、図２７を用いて既に説明したように、拡張帯域に隣接する帯域に含まれるスペクトルから算出されるものとする。基準ゲイン算出部３５３は、拡張帯域ゲイン符号化部で説明したように、基準振幅値と最低域サブバンド振幅値が一致するという仮定が成り立つよう基準ゲインを決定する。
このように、本実施の形態によれば、量子化の対象となるゲインの数を１へと削減され、さらなる低ビットレート化が可能となる。
（実施の形態４）
図３０は、本発明の実施の形態４に係る符号化装置内の拡張帯域ゲイン符号化部４０１の主要な構成を示すブロック図である。なお、この拡張帯域ゲイン符号化部４０１は、実施の形態２で示した拡張帯域ゲイン符号化部２０６と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の特徴は、拡張帯域に含まれるサブバンドの内のゲインに最も特徴のある（例えばゲインの最大値もしくは最小値）サブバンドをゲイン符号帳の探索の対象に必ず含めるようにする点にある。この構成によれば、最もゲインの影響を受けるサブバンドをゲイン符号帳の探索の対象に含めることができるため、品質改善が図れるという効果が得られる。ただしこの構成では、どのサブバンドを選択したかという付加情報を符号化する必要がある。
サブバンド決定部４０２は、サブバンド振幅算出部２１２で求められた推定スペクトルＥ(ｋ)のサブバンド振幅値ＡＥ(ｎ)と、サブバンド振幅算出部２１８で求められた第２スペクトルＳ２(ｋ)のサブバンド振幅値ＡＳ２(ｎ)とを用いて、（式１５）に従い理想ゲイン値ｇｏｐｔ(ｎ)を算出する。
ｇｏｐｔ(ｎ) ＝ ＡＳ２(ｎ)／ＡＥ(ｎ) ・・・（式１５）
次に、理想ゲインｇｏｐｔ(ｎ)が最大（もしくは最小）となるサブバンドを求め、そのサブバンド番号を出力端子より出力する。
補間部４０３は、ゲイン符号帳２１５から得られるゲイン候補Ｇ(ｊ)＝｛ｇ０(ｊ)，ｇ１(ｊ)，ｇ２(ｊ)｝とサブバンド選択部４０２から得られるサブバンド情報を基に、図３１に示すようにゲイン候補を配置し、ゲインが決定されていないサブバンドについては、補間によりゲインを決定する。この図では、第０サブバンド、第７サブバンドはデフォルトでゲイン候補を配置し、第１〜第６サブバンドの内、最も特徴的なゲインを有するサブバンド（この図では第２サブバンド）にゲイン候補を配置し、それ以外のサブバンドのゲインは補間により決定している。
次いで、本実施の形態に係る符号化装置によって符号化された信号を復号する復号化装置内の拡張帯域ゲイン復号化部４５０について図３２を用いて説明する。なお、この拡張帯域ゲイン復号化部４５０は、実施の形態２で示した拡張帯域ゲイン復号化部２５６と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
補間部２６３は、ゲイン符号帳２６２から得られるゲインＧ(ｊ)＝｛ｇ０(ｊ)，ｇ１(ｊ)，ｇ２(ｊ)｝と、入力端子４５１を介して入力されるサブバンド情報から、第０サブフレームにｇ０(ｊ)、第７サブフレームにｇ２(ｊ)、そしてサブバンド情報により示されるサブバンドにｇ１(ｊ)を配置し、それ以外のサブバンドのゲインは補間により決定する。このようにして復号されたサブバンドゲインを出力端子２６４から出力する。
このように、本実施の形態によれば、最もゲインの影響を受けるサブバンドをゲイン符号帳の探索の対象に含めて符号化するため、符号化性能をさらに向上させることができる。
以上、本発明に係る実施の形態について説明した。
本発明に係るスペクトル符号化装置は、上記の実施の形態１〜４に限定されず、種々変更して実施することが可能である。
本発明に係る符号化装置および復号化装置は、移動体通信システムにおけ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。例えば、本発明に係る符号化方法および復号化方法のアルゴリズムをプログラミング言語によって記述し、このプログラムをメモリに記憶しておいて情報処理手段によって実行させることにより、本発明に係る符号化装置および復号化装置と同様の機能を実現することができる。
また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されても良いし、一部または全てを含むように１チップ化されても良い。
また、ここではＬＳＩとしたが、集積度の違いによって、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩ等と呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現しても良い。ＬＳＩ製造後に、プログラム化することが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続もしくは設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用しても良い。
さらに、半導体技術の進歩または派生する別技術により、ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行っても良い。バイオ技術の適応等が可能性としてあり得る。
本明細書は、２００４年５月１９日出願の特願２００４−１４８９０１に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
本発明に係る符号化装置、復号化装置、およびこれらの方法は、移動体通信システムにおける通信端末装置等の用途に適用できる。
１０３ 分割部
１０４ 低域符号化部
１０５ 高域符号化部
１１３ ゲイン符号化部
１２２、１２８、２１２、２１８ サブバンド振幅算出部
１２３、２１３ 乗算部
１２４、２１４ 探索部
１２５、２１５ ゲイン符号帳
１２６、２１６ 補間部
２０３ 拡張帯域スペクトル推定部
２０６ 拡張帯域ゲイン符号化部

Claims (13)

  1. 少なくとも低域と高域とに分けられたスペクトルを取得する取得手段と、
    前記低域のスペクトルを符号化して第１符号化情報を生成する第１の符号化手段と、
    前記第１符号化情報を復号して復号低域スペクトルを生成する第１の復号手段と、
    前記復号された低域スペクトルを複製して高域のスペクトルの形状を生成する生成手段と、
    前記高域のスペクトルを複数のサブバンドに分割し、各サブバンドのゲインを算出するゲイン算出手段と、
    前記高域のスペクトルのサブバンドの内、少なくとも前記低域スペクトルに隣接する前記高域スペクトルのサブバンドを含む特定のサブバンドのゲインのみを符号化する第２の符号化手段と、
    前記特定のサブバンド以外のサブバンドのゲインを前記特定のサブバンドのゲインを補間して求める補間手段と、
    前記第１および第２の符号化手段で得られる符号化情報を出力する出力手段と、
    を具備する符号化装置。
  2. 前記第２の符号化手段は、
    前記高域のスペクトルの前記特定のサブバンドのゲインを決定する決定手段および前記補間手段の双方で求まったゲインで表されるスペクトルを、前記取得手段により取得された高域のスペクトルと比較し、これらのスペクトルの類似具合に応じて、前記決定手段によって決定されたゲインを変更する変更手段と、
    を具備し、前記変更手段によって変更された後のゲインを符号化する、
    請求項１記載の符号化装置。
  3. 前記第２の符号化手段は、
    前記高域のスペクトルの最高周波数のサブバンドのゲインを符号化する、
    請求項１記載の符号化装置。
  4. 前記第２の符号化手段は、
    前記高域のスペクトルの極小点を含むサブバンドまたは極大点を含むサブバンドのゲインを符号化する、
    請求項１記載の符号化装置。
  5. 前記第２の符号化手段で使用された前記特定のサブバンドのうちの少なくとも１つのサブバンドに関する情報を符号化する第３の符号化手段をさらに具備し、
    前記出力手段は、
    前記第３の符号化手段で得られる符号化情報も併せて出力する、
    請求項１記載の符号化装置。
  6. 周波数軸方向にスケーラビリティを有する符号化情報を生成する階層符号化装置であって、請求項１記載の符号化装置を拡張レイヤの符号化に使用する階層符号化装置。
  7. 少なくとも低域と高域とに分けられたスペクトルに関する符号化情報を復号化する復号化装置であって、
    前記低域のスペクトルに関する符号化情報を復号化して復号低域スペクトルを生成する第１の復号化手段と、
    前記高域のスペクトルに関する符号化情報を復号化して、複数のサブバンドに分割された前記高域スペクトルの内、少なくとも前記低域スペクトルに隣接する前記高域スペクトルのサブバンドを含む特定のサブバンドのゲインを生成する第２の復号化手段と、
    前記特定のサブバンド以外のサブバンドのゲインを前記特定のサブバンドのゲインを補間して求める補間手段と、
    前記第１の復号化手段によって得られた低域スペクトルと、前記第２の復号化手段および前記補間手段によって得られたゲインを用いて前記高域のスペクトルを復号化する第３の復号化手段と、
    を具備する復号化装置。
  8. 請求項１記載の符号化装置を具備する通信端末装置。
  9. 請求項７記載の復号化装置を具備する通信端末装置。
  10. 請求項１記載の符号化装置を具備する基地局装置。
  11. 請求項７記載の復号化装置を具備する基地局装置。
  12. 少なくとも低域と高域とに分けられたスペクトルを取得する取得ステップと、
    前記低域のスペクトルを符号化して第１符号化情報を生成する第１の符号化ステップと、
    前記第１符号化情報を復号して復号低域スペクトルを生成する第１の復号ステップと、
    前記復号された低域スペクトルを複製して高域のスペクトルの形状を生成する生成ステップと、
    前記高域のスペクトルを複数のサブバンドに分割し、各サブバンドのゲインを算出するゲイン算出ステップと、
    前記高域のスペクトルのサブバンドの内、少なくとも前記低域スペクトルに隣接する前記高域スペクトルのサブバンドを含む特定のサブバンドのゲインのみを符号化する第２の符号化ステップと、
    前記特定のサブバンド以外のサブバンドのゲインを前記特定のサブバンドのゲインを補間して求める補間ステップと、
    前記第１および第２の符号化ステップで得られる符号化情報を出力する出力ステップと、
    を具備する符号化方法。
  13. 少なくとも低域と高域とに分けられたスペクトルに関する符号化情報を復号化する復号化方法であって、
    前記低域のスペクトルに関する符号化情報を復号化して復号低域スペクトルを生成する第１の復号化ステップと、
    前記高域のスペクトルに関する符号化情報を復号化して、複数のサブバンドに分割された前記高域スペクトルの内、少なくとも前記低域スペクトルに隣接する前記高域スペクトルのサブバンドを含む特定のサブバンドのゲインを生成する第２の復号化ステップと、
    前記特定のサブバンド以外のサブバンドのゲインを前記特定のサブバンドのゲインを補間して求める補間ステップと、
    前記第１の復号化ステップで得られた低域スペクトルと、前記第２の復号化ステップおよび前記補間ステップで得られたゲインを用いて前記高域のスペクトルを復号化する第３の復号化ステップと、
    を具備する復号化方法。
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