JP5448850B2 - 符号化装置、復号装置およびこれらの方法 - Google Patents

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Description

本発明は、信号を符号化して伝送する通信システムに用いられる符号化装置、復号装置およびこれらの方法に関する。
近年、通信インフラの発達により、電話回線を通じて単なる音声信号だけではなく大容量の動画像データまで送受信されるようになってきている。この際、低ビットレートでも送信可能な音声信号から、高ビットレートで送る必要がある動画像データまでを同じ枠組みで扱い、回線効率を向上させるために、可変ビットレート伝送方式等が開発されている。
また、音声信号・楽音信号の符号化において、符号化情報の一部からでも音声信号・楽音信号を復号することが可能であり、パケット損失が発生するような状況においても音質劣化を抑制することができるスケーラブル符号化技術も開発されている（例えば、特許文献１参照）。
このスケーラブル符号化技術の代表的なものとしては、入力信号を周波数領域において低域成分と高域成分（と中域成分）とに分割し、各帯域の信号を符号化して伝送することにより周波数軸上でのスケーラビリティを実現する方法が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３、および特許文献４参照）
特開平１０−９７２９５号公報 特開２００５−１１４８１４号公報 特開２００６−１８９８３６号公報 特開２００６−１１９３０１号公報
上記特許文献２、特許文献３、および特許文献４では、入力信号（例えば３２ｋＨｚサンプリング周波数の信号とする）に対してまずＱＭＦ（Quadrature Mirror Filter：直交鏡像フィルタ）等による帯域分割処理を施して低域成分の信号、および高域成分の信号に分割する構成が開示されている。または、入力信号を低域成分の信号と高域成分の信号との他に中域成分の信号も含めて３つの信号に分割する構成も開示されている。以下、第１階層（最下層）の符号化部においてＩＴＵ−Ｔで規格化されているＧ．７２９．１符号化を用いる場合を考慮する。
Ｇ．７２９．１符号化部では、ＱＭＦ分析された１６ｋＨｚサンプリング周波数の入力信号に対して、７ｋＨｚ帯域までの周波数特性を得るためにローパスフィルタを適用し、７ｋＨｚ帯域までに制限された信号に対して符号化を行う。しかしながら、Ｇ．７２９．１符号化部は、例えば入力される信号が８ｋＨｚ帯域までの周波数成分が含む場合でも、７ｋＨｚ帯域までの成分を符号化し、７〜８ｋＨｚ帯域の成分は符号化しない。したがって、Ｇ．７２９．１符号化部とは別の符号化部にて７〜８ｋＨｚ帯域の成分を符号化する必要がある。
そこで、７ｋＨｚ帯域まで制限を行うことによる７〜８ｋＨｚ帯域の成分の欠落を避けるために、Ｇ．７２９．１符号化部内部のローパスフィルタを動作させないようにする方法が考えられる。しかし、このような構成にした場合、７ｋＨｚ帯域以下の成分に対してもローパスフィルタを適用させないことが影響してしまい、Ｇ．７２９．１符号化部本来
の性能が保証されない。
また、Ｇ．７２９．１符号化部に入力される１６ｋＨｚサンプリング周波数の信号からは７〜８ｋＨｚ帯域（７ｋＨｚ以上であり、かつ８ｋＨｚより低い帯域）の成分を得る構成も当然考えられる。例えばＧ．７２９．１符号化部に入力される０〜８ｋＨｚ帯域の信号に対して修正離散コサイン変換（ＭＤＣＴ：Modified Discrete Cosine Transform）等の直交変換処理を行って７〜８ｋＨｚ帯域の周波数成分を計算することできる。しかし、このような構成にした場合、Ｇ．７２９．１符号化部で行われるＭＤＣＴの演算とは別に、新たに０〜８ｋＨｚの成分のＭＤＣＴ係数を演算する必要があり、演算量が大きく増加してしまう。
本発明の目的は、入力信号をＱＭＦ等の処理により低域成分と高域成分とに帯域分割し、各成分を別々の符号化部にて符号化する構成において、低域成分の符号化部内部でローパスフィルタを適用することにより欠落した帯域の成分を、演算量を抑えつつ復元して符号化し、復号信号の品質を向上することができる符号化装置、復号装置、およびこれらの方法を提供することである。なお、本発明の技術は、単なる信号処理における逆フィルタリング処理ではなく、音声・オーディオ信号に対して特有の品質改善技術である。
本発明の符号化装置は、入力信号に対して帯域分割処理を行って第１周波数より低い低中域成分と、前記第１周波数以上の高域成分とを得る帯域分割手段と、前記低中域成分のうち第２周波数以上の部分を抑圧して低域成分を得、前記低域成分を符号化して低域符号化情報を得る低域符号化手段と、前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分を補正して補正中域成分を得る中域補正手段と、前記補正中域成分と前記高域成分とを符号化して中高域符号化情報を得る中高域符号化手段と、を具備する構成を採る。
本発明の復号装置は、符号化装置において入力信号が帯域分割されて得られた第１周波数より低い低中域成分のうち第２周波数以上の部分が抑圧されて得られた低域成分が符号化された低域符号化情報と、前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分が補正されて得られた補正中域成分および前記帯域分割により得られた前記第１周波数以上の高域成分が符号化された中高域符号化情報と、を受信する受信手段と、前記低域符号化情報を復号して復号低域スペクトルを得る低中域復号手段と、前記復号低域スペクトルを用いて前記中高域符号化情報を復号して復号高域信号と復号中域スペクトルとを得る高域復号手段と、を具備する構成を採る。
本発明の符号化方法は、入力信号に対して帯域分割処理を行って第１周波数より低い低中域成分と、前記第１周波数以上の高域成分とを得るステップと、前記低中域成分のうち第２周波数以上の部分を抑圧して低域成分を得、前記低域成分を符号化して低域符号化情報を得るステップと、前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分を補正して補正中域成分を得るステップと、前記補正中域成分と前記高域成分とを符号化して中高域符号化情報を得るステップと、を有するようにした。
本発明の復号方法は、符号化装置において入力信号が帯域分割されて得られた第１周波数より低い低中域成分のうち第２周波数以上の部分が抑圧されて得られた低域成分が符号化された低域符号化情報と、前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分が補正されて得られた補正中域成分および前記帯域分割により得られた前記第１周波数以上の高域成分が符号化された中高域符号化情報と、を受信するステップと、前記低域符号化情報を復号して復号低域スペクトルを得るステップと、前記復号低域スペクトルを用いて前記中高域符号化情報を復号して復号高域信号と復号中域スペクトルとを得る
ステップと、を有するようにした。
本発明によれば、入力信号をＱＭＦ等の処理により低域成分と高域成分とに帯域分割し、各成分を別々の符号化部にて符号化する構成において、低域成分の符号化部内部でローパスフィルタを適用することにより欠落した帯域の成分を、演算量を抑えつつ復元して符号化し、復号信号の品質を向上することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明に係る符号化装置および復号装置として、音声符号化装置および音声復号装置を例にとって説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る符号化装置および復号装置を有する通信システムの構成を示すブロック図である。図１において、通信システムは、符号化装置１０１と復号装置１０３とを備え、それぞれ伝送路１０２を介して通信可能な状態となっている。
符号化装置１０１は、入力信号をＮサンプルずつ区切り（Ｎは自然数）、Ｎサンプルを１フレームとしてフレーム毎に符号化を行う。ここで、符号化の対象となる入力信号をｘｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）と表すこととする。ｎは、Ｎサンプルずつ区切られた入力信号のうち、信号要素のｎ＋１番目であることを示す。以下、サンプル「ｎ」を省略して信号を記す場合がある。例えば、ｘｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）をｘと省略して記す場合がある。符号化された入力情報（符号化情報）は伝送路１０２を介して復号装置１０３に送信さ
れる。
復号装置１０３は、伝送路１０２を介して符号化装置１０１から送信された符号化情報を受信し、これを復号し出力信号を得る。
図２は、図１に示した符号化装置１０１の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図２において、符号化装置１０１は、帯域分割処理部２０１、低域符号化部２０２、中域補正部２０３、中高域符号化部２０４、および多重化部２０５を備え、各部は以下の動作を行う。
帯域分割処理部２０１は、サンプリング周波数がＳＲｉｎｐｕｔである入力信号ｘに対してＱＭＦ等による帯域分割処理を行い、サンプリング周波数がともにＳＲｉｎｐｕｔ／２である低中域信号ｘ＿ｌｏと高域信号ｘ＿ｈｉを生成する。ここでは、ＳＲｉｎｐｕｔが３２ｋＨｚである場合を例にとり、低域とは０〜７ｋＨｚ帯域を示し、中域とは７〜８ｋＨｚ帯域を示し、高域とは８〜１６ｋＨｚ帯域を示すものとする。そして、低中域信号ｘ＿ｌｏは０〜８ｋＨｚ帯域の信号を指し、高域信号ｘ＿ｈｉは８〜１６ｋＨｚ帯域の信号を指す。帯域分割処理部２０１は、生成した低中域信号ｘ＿ｌｏを低域符号化部２０２に出力し、高域信号ｘ＿ｈｉを中高域符号化部２０４に出力する。
低域符号化部２０２は、帯域分割処理部２０１から入力される０〜８ｋＨｚ帯域の低中域信号ｘ＿ｌｏのうち７〜８ｋＨｚの部分を抑圧し、０〜７ｋＨｚの部分を例えばＩＴＵ−Ｔで規格化されているＧ．７２９．１等の符号化を行い、生成された低域符号化情報を多重化部２０５に出力する。また、低域符号化部２０２は、低域符号化情報を求める過程で算出した中域（７〜８ｋＨｚ帯域）の周波数成分を中域スペクトルＸ＿ｍｉｄとして中域補正部２０３に出力する。また、低域符号化部２０２は、生成した低域符号化情報をさらに復号し、得られる復号信号の低域の周波数成分を復号低域スペクトルＳ＿ｌｏ（ｋ）（０≦ｋ＜７ｋＨｚ）として中高域符号化部２０４に出力する。以下、周波数「ｋ」を省略してスペクトルを記す場合がある。例えば、Ｓ＿ｌｏ（ｋ）（０≦ｋ＜７ｋＨｚ）をＳ＿ｌｏと省略して記す場合がある。なお、低域符号化部２０２の詳細については後述する。
中域補正部２０３は、低域符号化部２０２から入力される中域スペクトルＸ＿ｍｉｄに対して周波数領域において補正を行い、得られたスペクトルを補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄとして中高域符号化部２０４に出力する。なお、中域補正部２０３の詳細については後述する。
中高域符号化部２０４は、低域符号化部２０２から入力される復号低域スペクトルＳ＿ｌｏを用いて、中域補正部２０３から入力される補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄと、帯域分割処理部２０１から入力される高域信号ｘ＿ｈｉ（８〜１６ｋＨｚ帯域）とを符号化し、生成される中高域符号化情報を多重化部２０５に出力する。なお、中高域符号化部２０４の詳細については後述する。
多重化部２０５は、低域符号化部２０２から入力される低域符号化情報、および中高域符号化部２０４から入力される中高域符号化情報を多重化し、多重化結果を符号化情報として伝送路１０２に出力する。
図３は、図２に示した低域符号化部２０２の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図３において、低域符号化部２０２は、帯域分割処理部３０１、ハイパスフィルタ３０２、ＣＥＬＰ(Code Excited Linear Prediction)符号化部３０３、ＦＥＣ(Forward Error
Correction：前方誤り訂正)符号化部３０４、加算部３０５、ローパスフィルタ３０６、ＴＤＡＣ(Time-Domain Aliasing Cancellation：時間領域エイリアス除去)符号化部３０７、ＴＤＢＷＥ(Time-Domain BandWidth Extension：時間領域帯域拡張)符号化部３０８、および多重化部３０９を備え、各部は以下の動作を行う。
帯域分割処理部３０１は、帯域分割処理部２０１から入力される低中域信号ｘ＿ｌｏに対して、帯域分割処理部２０１と同様にＱＭＦ等による帯域分割処理を行い、０〜４ｋＨｚ帯域の第１低域信号と、４〜８ｋＨｚ帯域の第２低域信号を生成する。帯域分割処理部３０１は、生成した第１低域信号をハイパスフィルタ３０２に出力し、第２低域信号をローパスフィルタ３０６に出力する。
ハイパスフィルタ３０２は、帯域分割処理部３０１から入力される第１低域信号に対して０．０５ｋＨｚ以下の周波数成分を抑え、主に０．０５ｋＨｚより高い周波数成分からなる信号を得てフィルタ後第１低域信号としてＣＥＬＰ符号化部３０３、および加算部３０５に出力する。
ＣＥＬＰ符号化部３０３は、ハイパスフィルタ３０２から入力されるフィルタ後第１低域信号に対してＣＥＬＰ方式の符号化を行い、得られるＣＥＬＰパラメータをＦＥＣ符号化部３０４、ＴＤＡＣ符号化部３０７、および多重化部３０９に出力する。ここで、ＣＥＬＰ符号化部３０３は、ＦＥＣ符号化部３０４、およびＴＤＡＣ符号化部３０７にＣＥＬＰパラメータの一部、またはＣＥＬＰパラメータを求める過程で得られる情報を出力しても良い。また、ＣＥＬＰ符号化部３０３は、求めたＣＥＬＰパラメータに対してＣＥＬＰ方式の復号を行い、得られるＣＥＬＰ復号信号を加算部３０５に出力する。
ＦＥＣ符号化部３０４は、ＣＥＬＰ符号化部３０３から入力されるＣＥＬＰパラメータを用いて、復号装置１０３の消失フレーム補償処理に利用されるＦＥＣパラメータを算出し、ＦＥＣパラメータを多重化部３０９に出力する。
加算部３０５には、ハイパスフィルタ３０２から入力されるフィルタ後第１低域信号と、ＣＥＬＰ符号化部３０３から入力されるＣＥＬＰ復号信号との差分を算出し、得られる差分信号をＴＤＡＣ符号化部３０７に出力する。
ローパスフィルタ３０６は、帯域分割処理部３０１から入力される第２低域信号に対して７ｋＨｚより大きい周波数成分を抑え、主に７ｋＨｚ以下の周波数成分からなる信号を得てフィルタ後第２低域信号としてＴＤＡＣ符号化部３０７、およびＴＤＢＷＥ（Time-Domain BandWidth Extension）符号化部３０８に出力する。
ＴＤＡＣ符号化部３０７は、加算部３０５から入力される差分信号、およびローパスフィルタ３０６から入力されるフィルタ後第２低域信号それぞれに対してＭＤＣＴ等の直交変換を施し、得られる０〜８ｋＨｚ帯域の周波数領域信号（ＭＤＣＴ係数）のうち、７〜８ｋＨｚ帯域の部分を中域スペクトルＸ＿ｍｉｄとして中域補正部２０３に出力する。また、ＴＤＡＣ符号化部３０７は、加算部３０５から入力される差分信号に対して直交変換を施す際、ＣＥＬＰ符号化部３０３から入力されるＣＥＬＰパラメータの一つである聴覚重み情報を用いて、差分信号に重み付けをした後に直交変換を施し周波数領域信号を算出する。さらに、ＴＤＡＣ符号化部３０７は、ＭＤＣＴ等の直交変換により得られた周波数領域信号（ＭＤＣＴ係数）を量子化し、得られるＴＤＡＣパラメータを多重化部３０９に出力する。また、ＴＤＡＣ符号化部３０７は、ＴＤＡＣパラメータに対して復号を行い、得られる復号信号のうち、０〜７ｋＨｚ帯域の部分を復号低域スペクトルＳ＿ｌｏとして
中高域符号化部２０４に出力する。
ＴＤＢＷＥ符号化部３０８は、ローパスフィルタ３０６から入力されるフィルタ後第２低域信号に対して時間軸上での帯域拡張符号化を行い、得られるＴＤＢＷＥパラメータを多重化部３０９に出力する。
多重化部３０９は、ＦＥＣパラメータ、ＣＥＬＰパラメータ、ＴＤＡＣパラメータ、およびＴＤＢＷＥパラメータを多重化し、低域符号化情報として多重化部２０５に出力する。なお、多重化部３０９を設けずに、これらのパラメータを多重化部２０５で多重化しても良い。
図３に示した、本実施の形態に係る低域符号化部２０２における符号化は、ＴＤＡＣ符号化部３０７において、加算部３０５から入力される差分信号、およびローパスフィルタ３０６から入力されるフィルタ後第２低域信号それぞれに対しＭＤＣＴ等の直交変換を施すだけではなく、ＭＤＣＴ係数の７〜８ｋＨｚ帯域の部分を中域スペクトルＸ＿ｍｉｄとして中域補正部２０３に出力し、ＴＤＡＣパラメータを復号した復号信号のうち０〜７ｋＨｚ帯域の部分を復号低域スペクトルＳ＿ｌｏとして中高域符号化部２０４に出力する点が、Ｇ．７２９．１方式の符号化と相違する。
次に、中域補正部２０３の処理について説明する。
中域補正部２０３の処理を説明するために、まず、低域符号化部２０２内のローパスフィルタ３０６のフィルタ特性を説明する。
低域符号化部２０２内のローパスフィルタ３０６の伝達関数Ｈ（ｚ）は例えば下記の式（１）で表される。
Figure 0005448850
図４および図５は、式（１）で表される伝達関数を有するローパスフィルタ３０６の周波数特性を示す図である。図４および図５においてはローパスフィルタ３０６を０〜４ｋＨｚ帯域の入力信号に対して適用する場合の周波数特性を示しているが、本実施の形態においてローパスフィルタ３０６に入力される第２低域信号の有する帯域は４〜８ｋＨｚであるため、この場合、図４および図５に示すローパスフィルタ３０６の周波数特性は実際には４〜８ｋＨｚに対して適用される。図４および図５において、横軸は周波数ｆ（Ｈｚ）を示し、縦軸はローパスフィルタ３０６の周波数特性を表すＬＰＦ（ｆ）の値を示す。なお、図４においてはログ（ｌｏｇ）スケール（ｄＢ）を用いて周波数特性を表し、図５においてはリニアスケールを用いて周波数特性を表しており、この場合ＬＰＦ（ｆ）の値は０〜１の値をとる。図４および図５に示した周波数特性を有するローパスフィルタ３０６は、帯域分割処理部３０１から入力される第２低域信号（４〜８ｋＨｚ）をフィルタリングすることにより、７〜８ｋＨｚ帯域の周波数成分が抑圧された、主に４〜７ｋＨｚ帯域の周波数成分からなるフィルタ後第２低域信号を得る。次いで、フィルタ後第２低域信号はＴＤＡＣ符号化部３０７においてＭＤＣＴされる。従って、ＴＤＡＣ符号化部３０７から中域補正部２０３に入力される中域スペクトルＸ＿ｍｉｄは、ローパスフィルタ３０６によって抑圧された７〜８ｋＨｚ帯域の信号に対してＭＤＣＴした結果である。
中域補正部２０３は、図５に示すローパスフィルタ３０６の周波数特性を利用して、低域符号化部２０２から入力される中域スペクトルＸ＿ｍｉｄに対して周波数軸での補正を
行い、補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄを算出する。具体的には、中域補正部２０３は、下記の式（２）に従って７〜８ｋＨｚ帯域の中域スペクトルＸ＿ｍｉｄを、図５に示したローパスフィルタ３０６の３〜４ｋＨｚ帯域のＬＰＦ（ｆ）の値で除算することにより、補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄを算出する。ここでローパスフィルタ３０６の周波数特性ＬＰＦ（ｆ）の３〜４ｋＨｚの帯域は、帯域分割処理部３０１に入力される前の低域信号の７〜８ｋＨｚの帯域に相当する。すなわち、中域補正部２０３は、中域スペクトルＸ＿ｍｉｄにローパスフィルタ３０６の周波数特性の逆数を掛けることにより、ローパスフィルタ３０６の処理前の状態に復元された第２低域信号の７〜８ｋＨｚ帯域に対応するＭＤＣＴ係数を得る。
Figure 0005448850
式（２）において、ＬＰＦ（ｆ）は、図５に示した３〜４ｋＨｚ部分の周波数特性（縦軸の値）であり、０〜１．０の範囲をとる。Ｎｌｏは、７〜８ｋＨｚ帯域の周波数成分のサンプル数である。なお、式（２）において、ｆは３０００〜４０００Ｈｚまでの値をとるが、これは第２低域信号の４〜８ｋＨｚの帯域に適用されるため、実際には７０００〜８０００Ｈｚの周波数を意味する。また、式（２）において、ｋは３０００〜４０００Ｈｚのｆの値に対応する中域スペクトルＸ＿ｍｉｄ（ｋ）の周波数インデックスの値をとる。つまり、ｆ＝３０００の時、第２低域信号の７０００Ｈｚの成分に対するＬＰＦ（３０００）の値は、中域スペクトルＸ＿ｍｉｄ（０）の値に適用され、ｆ＝４０００の時、すなわち第２低域信号の８０００Ｈｚの成分に対するＬＰＦ（４０００）の値は、中域スペクトルＸ＿ｍｉｄ（Ｎｌｏ−１）に適用される。
また、式（２）においてＷ（ｆ）は補正係数であり、単純に中域スペクトル（７〜８ｋＨｚ帯域）をＬＰＦ（ｆ）で除算して補正中域スペクトルを求める場合に発生し得る異音を抑止する機能を果たす。具体的には、Ｗ（ｆ）は０．９５〜０．９７程度の値をとるのが適当であることが実験により確かめられている。以下、Ｗ（ｆ）による異音の抑止効果について説明する。
ここで、図５中の０〜１５００Ｈｚ帯域に着目すると、０〜１５００Ｈｚ帯域においてはローパスフィルタ３０６の周波数特性は０．９５〜１．００程度の値をとっている。ここで図５に示すローパスフィルタ３０６の周波数特性のうち０〜１５００Ｈｚの値が適用されるのは、第２低域信号の４０００〜５５００Ｈｚの帯域である。従って、第２低域信号の４０００〜５５００Ｈｚ帯域の成分が、ローパスフィルタ３０６の処理を適用する前の信号の約０．９５〜０．９７倍となる。すなわち、ＴＤＡＣ符号化部３０７から中高域符号化部２０４に入力される復号低域スペクトルの４０００〜５５００Ｈｚ帯域は、ローパスフィルタ３０６の処理を適用する前の第２低域信号の約０．９５倍の信号に対応するＭＤＣＴ係数である。これに対し、式（２）においてＷ（ｆ）を乗じず、中域スペクトルＸ＿ｍｉｄ（ｋ）にローパスフィルタ３０６の周波数特性の逆数を掛けることによって得られる７〜８ｋＨｚ帯域のスペクトルは、ローパスフィルタ３０６の処理前の第２低域信号そのものに対応するＭＤＣＴ係数である。中域補正部２０３は、式（２）に従って算出した補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄ（ｋ）を中高域符号化部２０４に出力するため、仮に、式（２）においてＷ（ｆ）を乗じない場合には、中高域符号化部２０４に入力されるスペクトルの４０００〜５５００Ｈｚ帯域と７〜８ｋＨｚ帯域とはスペクトルの大きさのバランスが崩れてしまい、異音が発生する。
また、計算機の演算精度は無限ではないため、ＬＰＦ（ｆ）が非常に小さな値であれば、ＬＰＦ（ｆ）の逆数は非常に大きな値になってしまい、丸め誤差等の計算誤差が発生し
てしまう。
このような問題を回避するために、中域補正部２０３は、中域スペクトルＸ＿ｍｉｄ（ｋ）をローパスフィルタ３０６の周波数特性で除算し、さらにローパスフィルタ３０６の０〜３０００Ｈｚの値を考慮した補正係数Ｗ（ｆ）を乗じる。これにより、４０００〜５５００Ｈｚ帯域のスペクトルとのバランスも取れ、さらに計算誤差に起因する音質劣化を抑制しつつ、７〜８ｋＨｚ帯域のスペクトルを補正することができる。隣接帯域とのエネルギーバランスの歪み（不連続性など）による異音を抑制するための、上記のような処理は、単なる信号処理における逆フィルタリング処理ではなく、音声・オーディオ信号に対して特有の品質改善技術である。
ここで、中域補正部２０３は、ローパスフィルタ３０６の周波数特性を表すＬＰＦ（ｆ）（ｆ＝０，…，４０００）、およびＬＰＦ（ｆ）に対応するＷ（ｆ）を内部に予め記憶する。なお、ＬＰＦ（ｆ）の逆数とＷ（ｆ）を乗じた値を予め求めておき、この値を内部に記憶してもよく、このようにすることで更なる演算量の減少が見込まれる。
図６は、図２に示した中高域符号化部２０４の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図６において、中高域符号化部２０４は、直交変換処理部４０１、中高域スペクトル算出部４０２、および帯域拡張符号化部４０３を備え、各部は以下の動作を行う。
直交変換処理部４０１は、バッファｂｕｆｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）を内部に有し、帯域分割処理部２０１から入力される８〜１６ｋＨｚ帯域の高域信号ｘ＿ｈｉに対し、直交変換処理として修正離散コサイン変換（ＭＤＣＴ）等を行って高域信号ｘ＿ｈｉの周波数成分である高域スペクトルＳ＿ｈｉを算出する。
具体的には、まず、直交変換処理部４０１は、下記の式（３）に示すように「０」を用いてバッファｂｕｆｎを初期化する。
Figure 0005448850
次いで、直交変換処理部４０１は、高域信号ｘ＿ｈｉに対し、下記の式（４）に従ってＭＤＣＴを行い、高域信号のＭＤＣＴ係数Ｓ＿ｈｉを高域スペクトルとして求める。
Figure 0005448850
式（４）において、ｋは１フレームにおける各サンプルのインデックスを示す。なお、ｘ＿ｈｉ’は、下記の式（５）に従って高域信号ｘ＿ｈｉとバッファｂｕｆｎとを結合させたベクトルである。
Figure 0005448850
次いで、直交変換処理部４０１は、下記の式（６）に示すようにバッファｂｕｆｎを更新する。
Figure 0005448850
そして、直交変換処理部４０１は、高域スペクトルＳ＿ｈｉ（ｋ）を中高域スペクトル算出部４０２に出力する。
中高域スペクトル算出部４０２は、直交変換処理部４０１から入力される高域スペクトルＳ＿ｈｉ、および中域補正部２０３から入力される補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄを用い、下記の式（７）に従って中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉを算出して帯域拡張符号化部４０３に出力する。ここで、７〜１６ｋＨｚ帯域の成分を有するＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉのサンプル数をＮｍｉｄ＿ｈｉとする。つまり中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉは式（７）に示すように、補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄと高域スペクトルＳ＿ｈｉを周波数軸上で連続（結合）させたスペクトルとなる。
Figure 0005448850
帯域拡張符号化部４０３は、低域符号化部２０２から入力される復号低域スペクトルＳ＿ｌｏと、中高域スペクトル算出部４０２から入力される中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉとを用い、復号低域スペクトルから中高域スペクトルを生成するための中高域符号化情報を算出して多重化部２０５に出力する。
図７は、図６に示した帯域拡張符号化部４０３の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図７において、帯域拡張符号化部４０３は、フィルタ状態設定部５０１、フィルタリング部５０２、探索部５０３、ピッチ係数設定部５０４、ゲイン符号化部５０５、および多重化部５０６を備え、各部は以下の動作を行う。
フィルタ状態設定部５０１は、低域符号化部２０２から入力される復号低域スペクトルＳ＿ｌｏを、フィルタリング部５０２で用いるフィルタ状態として設定する。すなわち、フィルタリング部５０２における全周波数帯域（０〜１６ｋＨｚ帯域）のスペクトルＳ（ｋ）（０≦ｋ＜１６ｋＨｚ）の０〜７ｋＨｚ帯域に、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏがフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。
フィルタリング部５０２は、マルチタップ（タップ数が１より多い）のピッチフィルタを備え、フィルタ状態設定部５０１により設定されたフィルタ状態と、ピッチ係数設定部５０４から入力されるピッチ係数に基づいて、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏをフィルタリングし、中高域スペクトルの推定値Ｓ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’（７〜１６ｋＨｚ帯域）（以下、「推定中高域スペクトル」と称す）を算出する。フィルタリング部５０２は、推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’を探索部５０３に出力する。なお、フィルタリング部５０２におけるフィルタリング処理の詳細については後述する。
探索部５０３は、中高域スペクトル算出部４０２から入力される中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ（７〜１６ｋＨｚ帯域）と、フィルタリング部５０２から入力される推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’との類似度を算出する。この類似度の算出は、例えば相関演算等により行われる。フィルタリング部５０２、探索部５０３、およびピッチ係数設定部５０４の処理は閉ループを構成する。この閉ループにおいて、探索部５０３は、ピ
ッチ係数設定部５０４からフィルタリング部５０２に入力されるピッチ係数Ｔを種々に変化させることにより、各ピッチ係数に対応する類似度を算出する。探索部５０３は、そのうち類似度が最大となる最適ピッチ係数Ｔ’を多重化部５０６に出力する。また、探索部５０３は、このピッチ係数Ｔ’に対応する推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’をゲイン符号化部５０５に出力する。なお、探索部５０３における最適ピッチ係数Ｔ’の探索処理の詳細については後述する。
ピッチ係数設定部５０４は、探索部５０３の制御の下、ピッチ係数Ｔを予め定められた探索範囲Ｔｍｉｎ〜Ｔｍａｘの中で少しずつ変化させながら、フィルタリング部５０２に順次出力する。
ゲイン符号化部５０５は、中高域スペクトル算出部４０２から入力される中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ(ｋ)（７〜１６ｋＨｚ帯域）についてのゲイン情報を算出する。具体的には、ゲイン符号化部５０５は、７〜１６ｋＨｚ帯域をＪ個のサブバンドに分割し、中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ(ｋ)のサブバンド毎のスペクトルパワを求める。この場合、第ｊサブバンドのスペクトルパワＢ(ｊ)は下記の式（８）で表される。
Figure 0005448850
式（８）において、ＢＬ(ｊ)は第ｊサブバンドの最小周波数、ＢＨ(ｊ)は第ｊサブバンドの最大周波数を表す。
また、ゲイン符号化部５０５は、同様に、最適ピッチ係数Ｔ’に対応する推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’のサブバンド毎のスペクトルパワＢ’(ｊ)を下記の式（９）に従って算出する。
Figure 0005448850
次いで、ゲイン符号化部５０５は、中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉに対する推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’のサブバンド毎のスペクトルパワの変動量Ｖ(ｊ)を下記の式（１０）に従って算出する。
Figure 0005448850
そして、ゲイン符号化部５０５は、変動量Ｖ(ｊ)を符号化し、符号化後の変動量Ｖｑ(ｊ)に対応するインデックスを多重化部５０６に出力する。
多重化部５０６は、探索部５０３から入力される最適ピッチ係数Ｔ’と、ゲイン符号化部５０５から入力される符号化後の変動量Ｖｑ(ｊ)のインデックスとを高域符号化情報として多重化し、多重化部２０５に出力する。なお、Ｔ’とＶｑ（ｊ）のインデックスとを直接、多重化部２０５に入力して、多重化部２０５にて低域符号化情報と多重化しても良い。
図８は、図７に示したフィルタリング部５０２におけるフィルタリング処理の詳細につ
いて説明するための図である。
フィルタリング部５０２は、ピッチ係数設定部５０４から入力されるピッチ係数Ｔを用いて７〜１６ｋＨｚ帯域のスペクトルを生成する。フィルタリング部５０２の伝達関数は下記の式（１１）で表される。
Figure 0005448850
式（１１）において、Ｔはピッチ係数設定部５０４から与えられるピッチ係数、βｉは予め内部に記憶されているフィルタ係数を表している。例えば、タップ数が３の場合、フィルタ係数の候補は（β−１、β０、β１）＝（０．１、０．８、０．１）が例として挙げられる。この他に（β−１、β０、β１）＝（０．２、０．６、０．２）、（０．３、０．４、０．３）等の値も適当である。また、式（１１）においてＭ＝１とする。Ｍはタップ数に関する指標である。
フィルタリング部５０２における全周波数帯域のスペクトルＳ(ｋ)の０〜７ｋＨｚ帯域には、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏがフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。
Ｓ(ｋ)の７〜１６ｋＨｚ帯域には、以下の手順のフィルタリング処理により、推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’が格納される。すなわち、Ｓ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’には、基本的に、このｋよりＴだけ低い周波数のスペクトルＳ(ｋ−Ｔ)が代入される。ただし、スペクトルの円滑性を増すために、実際には、スペクトルＳ(ｋ−Ｔ)からｉだけ離れた近傍のスペクトルＳ(ｋ−Ｔ＋ｉ)に所定のフィルタ係数βｉを乗じたスペクトルβｉ・Ｓ(ｋ−Ｔ＋ｉ)を、全てのｉについて加算したスペクトルをＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’(ｋ)に代入する。この処理は下記の式（１２）で表される。
Figure 0005448850
上記演算を、周波数の低いｋ＝７ｋＨｚから順に、７〜１６ｋＨｚ帯域の範囲で変化させて行うことにより、７〜１６ｋＨｚ帯域における推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’(ｋ)を算出する。
以上のフィルタリング処理は、ピッチ係数設定部５０４からピッチ係数Ｔが与えられる度に、７〜１６ｋＨｚ帯域の範囲において、その都度Ｓ(ｋ)をゼロクリアして行われる。すなわち、ピッチ係数Ｔが変化するたびにＳ（ｋ）は算出され、探索部５０３に出力される。
図９は、図７に示した探索部５０３において最適ピッチ係数Ｔ’を探索する処理の手順を示すフロー図である。
まず、探索部５０３は、類似度の最小値を保存するための変数である最小類似度Ｄｍｉｎを「＋∞」に初期化する（ＳＴ２０１０）。次いで、探索部５０３は、下記の式（１３）に従い、あるピッチ係数における中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉと、推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’との類似度Ｄを算出する（ＳＴ２０２０）。
Figure 0005448850
式（１３）において、Ｍ’は、類似度Ｄを算出する際のサンプル数を示し、中高域部のサンプル長Ｎｍｉｄ＿ｈｉ以下の任意の値で良い。
なお、上述したように、フィルタリング部５０２において生成される推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’は、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏをフィルタリングして得られるスペクトルである。従って、探索部５０３において算出される中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉと、推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’との類似度は、中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉと、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏとの類似度を表すこともできる。
次いで、探索部５０３は算出した類似度Ｄが最小類似度Ｄｍｉｎより小さいか否かを判定する（ＳＴ２０３０）。ＳＴ２０２０において算出された類似度Ｄが最小類似度Ｄｍｉｎより小さい場合（ＳＴ２０３０：「ＹＥＳ」）には、探索部５０３は、類似度Ｄを最小類似度Ｄｍｉｎに代入する（ＳＴ２０４０）。一方、ＳＴ２０２０において算出された類似度Ｄが最小類似度Ｄｍｉｎ以上である場合（ＳＴ２０３０：「ＮＯ」）には、探索部５０３は、探索範囲が終了した否かを判定する。すなわち、探索部５０３は、探索範囲内のすべてのピッチ係数それぞれに対し、ＳＴ２０２０において上記の式（１３）に従って類似度Ｄを算出したか否かを判定する（ＳＴ２０５０）。探索範囲が終了しなかった場合（ＳＴ２０５０：「ＮＯ」）には、探索部５０３は処理を再びＳＴ２０２０に戻す。そして、探索部５０３は、前回ＳＴ２０２０の手順において式（１３）に従って類似度を算出した場合とは異なるピッチ係数に対して、式（１３）に従って類似度を算出する。一方、探索範囲が終了した場合（ＳＴ２０５０：「ＹＥＳ」）には、探索部５０３は、最小類似度Ｄｍｉｎに対応するピッチ係数Ｔを最適ピッチ係数Ｔ’として多重化部５０６に出力し、最適ピッチ係数Ｔ’に対応する推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’(ｋ)をゲイン符号化部５０５に出力する（ＳＴ２０６０）。
図１０は、図１に示した復号装置１０３の内部の主要な構成を示すブロック図である。
復号装置１０３は、分離部６０１、低中域復号部６０２、高域復号部６０３、および帯域合成処理部６０４を備え、各部は以下の動作を行う。
分離部６０１は、伝送路１０２を介して符号化装置１０１から伝送される符号化情報を、低域符号化情報と中高域符号化情報とに分離し、低域符号化情報を低中域復号部６０２に出力し、中高域符号化情報を高域復号部６０３に出力する。
低中域復号部６０２は、分離部６０１から入力される低域符号化情報を復号し、得られる復号低域スペクトルを高域復号部６０３に出力する。また、低中域復号部６０２は、この復号低域スペクトルと、高域復号部６０３から入力される復号中域スペクトルとから復号低中域信号を生成して帯域合成処理部６０４に出力する。なお、低中域復号部６０２の詳細については後述する。
高域復号部６０３は、分離部６０１から入力される中高域符号化情報と、低中域復号部６０２から入力される復号低域スペクトルとから復号高域信号を生成して帯域合成処理部６０４に出力する。また、高域復号部６０３は、復号高域信号を生成する際に算出される
復号中域スペクトルを低中域復号部６０２に出力する。なお、高域復号部６０３の詳細については後述する。
帯域合成処理部６０４には、低中域復号部６０２から入力される復号低中域信号が入力され、高域復号部６０３から復号高域信号が入力される。帯域合成処理部６０４は、帯域分割処理部２０１とは逆の処理を行うことにより、低中域復号部６０２から入力されるサンプリング周波数が１６ｋＨｚである復号低中域信号（０〜８ｋＨｚ帯域）と、高域復号部６０３から入力される復号高域信号（８〜１６ｋＨｚ帯域）とから、サンプリング周波数が３２ｋＨｚ（０〜１６ｋＨｚ帯域）である出力信号を生成して出力する。
図１１は、図１０に示した低中域復号部６０２の内部の主要な構成を示すブロック図である。ここでは、図２の低域符号化部２０２と対応させて、低中域復号部６０２においてＩＴＵ−Ｔで規格化されているＧ．７２９．１等の復号を行う構成を例に挙げて説明する。なお、図１１に示す低中域復号部６０２の構成はフレームエラーが生じなかった場合の構成であり、フレームエラー補償処理のための構成要素は図示せずその説明を省略する。ただし本発明は、フレームエラーが生じる場合にも適用することができる。
低中域復号部６０２は、分離部７０１、ＣＥＬＰ復号部７０２、ＴＤＡＣ復号部７０３、ＴＤＢＷＥ復号部７０４、プリ／ポストエコー削減部７０５、加算部７０６、適応ポスト処理部７０７、ローパスフィルタ７０８、プリ／ポストエコー削減部７０９、ハイパスフィルタ７１０、および帯域合成処理部７１１を備え、各部は以下の動作を行う。
分離部７０１は、分離部６０１から入力される低域符号化情報を、ＣＥＬＰパラメータ、ＴＤＡＣパラメータ、ＴＤＢＷＥパラメータに分離し、ＣＥＬＰパラメータをＣＥＬＰ復号部７０２に出力し、ＴＤＡＣパラメータをＴＤＡＣ復号部７０３に出力し、ＴＤＢＷＥパラメータをＴＤＢＷＥ復号部７０４に出力する。なお、分離部７０１を設けずに、分離部６０１においてまとめてこれらのパラメータを分離しても良い。
ＣＥＬＰ復号部７０２は、分離部７０１から入力されるＣＥＬＰパラメータに対してＣＥＬＰ方式の復号を行い、得られる復号信号を復号第１低域信号としてＴＤＡＣ復号部７０３、加算部７０６、およびプリ／ポストエコー削減部７０５に出力する。または、ＣＥＬＰ復号部７０２は、復号第１低域信号のほかに、ＣＥＬＰパラメータから復号第１低域信号を生成する復号過程で得られる他の情報をＴＤＡＣ復号部７０３に出力しても良い。
ＴＤＡＣ復号部７０３は、分離部７０１から入力されるＴＤＡＣパラメータ、ＣＥＬＰ復号部７０２から入力される復号第１低域信号あるいは復号第１低域信号を生成する際に得られる他の情報、ＴＤＢＷＥ復号部７０４から入力される復号ＴＤＢＷＥ信号、および高域復号部６０３から入力される７〜８ｋＨｚ帯域の復号中域スペクトルを用い、復号低域スペクトルを算出して高域復号部６０３に出力する。また、ＴＤＡＣ復号部７０３は、高域復号部６０３から入力された復号中域スペクトルを利用して０〜８ｋＨｚ帯域の復号低中域スペクトルを算出する。具体的には、復号低中域スペクトルのうち、０〜７ｋＨｚ帯域の値を復号低域スペクトルとし、また７〜８ｋＨｚ帯域の値を復号中域スペクトルとすることで復号低中域スペクトルを算出する。また、ＴＤＡＣ復号部７０３は、算出した復号低中域スペクトルの０〜４ｋＨｚ帯域と４〜８ｋＨｚ帯域とのそれぞれに対してＭＤＣＴ等の直交変換処理を施し、復号第１ＴＤＡＣ信号（０〜４ｋＨｚ帯域）と復号第２ＴＤＡＣ信号（４〜８ｋＨｚ帯域）を算出する。ＴＤＡＣ復号部７０３は、算出した復号第１ＴＤＡＣ信号をプリ／ポストエコー削減部７０５に出力し、復号第２ＴＤＡＣ信号をプリ／ポストエコー削減部７０９に出力する。
ＴＤＢＷＥ復号部７０４は、分離部７０１から入力されるＴＤＢＷＥパラメータを復号
し、得られる復号信号を復号ＴＤＢＷＥ信号としてＴＤＡＣ復号部７０３およびプリ／ポストエコー削減部７０９に出力する。
プリ／ポストエコー削減部７０５は、ＣＥＬＰ復号部７０２から入力される復号ＣＥＬＰ信号、およびＴＤＡＣ復号部７０３から入力される復号第１ＴＤＡＣ信号に対し、プリ／ポストエコーを削減する処理を施してエコー削除後の信号を加算部７０６に出力する。
加算部７０６は、ＣＥＬＰ復号部７０２から入力される復号ＣＥＬＰ信号と、プリ／ポストエコー削減部７０５から入力されるエコー削除後の信号とを加算し、得られる加算信号を適応ポスト処理部７０７に出力する。
適応ポスト処理部７０７は、加算部７０６から入力される加算信号に対して適応的に後処理を施し、得られる復号第１低域信号（０〜４ｋＨｚ帯域）をローパスフィルタ７０８に出力する。
ローパスフィルタ７０８は、適応ポスト処理部７０７から入力される復号第１低域信号に対して４ｋＨｚより大きい周波数成分を抑え、主に４ｋＨｚ以下の周波数成分からなる信号を得てフィルタ後復号第１低域信号として帯域合成処理部７１１に出力する。
プリ／ポストエコー削減部７０９は、ＴＤＡＣ復号部７０３から入力される復号第２ＴＤＡＣ信号、およびＴＤＢＷＥ復号部７０４から入力される復号ＴＤＢＷＥ信号に対してプリ／ポストエコーを削減する処理を施し、エコー削除後の信号を復号第２低域信号（４〜８ｋＨｚ帯域）としてハイパスフィルタ７１０に出力する。
ハイパスフィルタ７１０は、プリ／ポストエコー削減部７０９から入力される復号第２低域信号に対して４ｋＨｚ以下の周波数成分を抑え、主に４ｋＨｚより高い周波数成分からなる信号を得てフィルタ後復号第２低域信号として帯域合成処理部７１１に出力する。
帯域合成処理部７１１には、ローパスフィルタ７０８からフィルタ後復号第１低域信号が入力され、ハイパスフィルタ７１０からフィルタ後復号第２低域信号が入力される。帯域合成処理部７１１は、帯域分割処理部３０１とは逆の処理を行うことにより、サンプリング周波数が８ｋＨｚであるフィルタ後復号第１低域信号（０〜４ｋＨｚ帯域）とフィルタ後復号第２低域信号（４〜８ｋＨｚ帯域）とから、サンプリング周波数が１６ｋＨｚ（０〜８ｋＨｚ帯域）である復号低中域信号を生成して帯域合成処理部６０４に出力する。
なお、帯域合成処理部７１１を設けずに、帯域合成処理を帯域合成処理部６０４でまとめて行っても良い。
図１１に示した、本実施の形態に係る低中域復号部６０２における復号は、ＴＤＡＣ復号部７０３において、ＴＤＡＣパラメータから０〜７ｋＨｚ帯域の復号低域スペクトルを算出した時点でこれを高域復号部６０３に出力するという点と、復号低域スペクトルのみを直交変換するのではなく、この復号低域スペクトルと、高域復号部６０３から入力される７〜８ｋＨｚ帯域の復号中域スペクトルとからなる復号低中域スペクトルを直交変換してＴＤＡＣ復号信号を算出するという点とがＧ．７２９．１方式の復号と相違する。
図１２は、図１０に示した高域復号部６０３の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図１２において高域復号部６０３は、分離部８０１、フィルタ状態設定部８０２、フィルタリング部８０３、ゲイン復号部８０４、スペクトル調整部８０５、および直交変換処
理部８０６を備え、各部は以下の動作を行う。
分離部８０１は、分離部６０１から入力される中高域符号化情報を、フィルタリングに関する情報である最適ピッチ係数Ｔ’と、ゲインに関する情報である符号化後変動量Ｖｑ(ｊ)のインデックスと、に分離し、最適ピッチ係数Ｔ’をフィルタリング部８０３に出力し、符号化後変動量Ｖｑ(ｊ)のインデックスをゲイン復号部８０４に出力する。なお、分離部６０１において、Ｔ’とＶｑ（ｊ）のインデックスとを分離済みの場合は、分離部８０１を配置しなくても良い。
フィルタ状態設定部８０２は、低中域復号部６０２から入力される復号低域スペクトルＳ＿ｌｏ(ｋ)（０〜７ｋＨｚ帯域）を、フィルタリング部８０３で用いるフィルタ状態として設定する。ここで、フィルタリング部８０３における全周波数帯域（０〜１６ｋＨｚ帯域）のスペクトルを便宜的にＳ(ｋ)と呼ぶ場合、Ｓ(ｋ)の０〜７ｋＨｚの帯域に、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏ(ｋ)がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。なお、フィルタ状態設定部８０２の構成および動作は、図７に示したフィルタ状態設定部５０１と同様であるため、詳細な説明は省略する。
フィルタリング部８０３は、マルチタップ（タップ数が１より多い）のピッチフィルタを備える。フィルタリング部８０３は、フィルタ状態設定部８０２により設定されたフィルタ状態と、分離部８０１から入力されるピッチ係数Ｔ’と、予め内部に格納しているフィルタ係数とに基づき、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏをフィルタリングし、上記の式（１２）に示す、中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉの推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’を算出する。フィルタリング部８０３でも、上記の式（１１）に示した伝達関数が用いられる。
ゲイン復号部８０４は、分離部８０１から入力される、符号化後変動量Ｖｑ(ｊ)のインデックスを復号し、変動量Ｖ(ｊ)の量子化値である変動量Ｖｑ(ｊ)を求める。
スペクトル調整部８０５は、下記の式（１４）に従い、フィルタリング部８０３から入力される推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’に、ゲイン復号部８０４から入力されるサブバンド毎の変動量Ｖｑ(ｊ)を乗じる。これにより、スペクトル調整部８０５は、推定中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ’の７〜８ｋＨｚ帯域におけるスペクトル形状を調整し、復号中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ２(ｋ)を生成する。
Figure 0005448850
そして、スペクトル調整部８０５は、低域部（０〜７ｋＨｚ）としては復号低域スペクトルＳ＿ｌｏ（ｋ）を用い、中高域部（７〜１６ｋＨｚ）としては復号中高域スペクトルＳ＿ｍｉｄ＿ｈｉ２(ｋ)を用い、復号スペクトルＳ２（ｋ）を構成する。
また、スペクトル調整部８０５は、復号スペクトルＳ２（ｋ）の中域部（７〜８ｋＨｚ帯域）のスペクトルのみを復号中域スペクトルＳ＿ｍｉｄ２(ｋ)として低中域復号部６０２に出力し、復号スペクトルＳ２(ｋ)の高域部（８〜１６ｋＨｚ帯域）のスペクトルのみを復号高域スペクトルＳ＿ｈｉ２(ｋ)として直交変換処理部８０６に出力する。
直交変換処理部８０６は、スペクトル調整部８０５から入力される復号高域スペクトルＳ＿ｈｉ２に対して修正離散コサイン逆変換（ＩＭＤＣＴ：Inverse Modified Discrete Cosine Transform）等の直交変換処理を行って時間領域の信号を生成し、復号高域信号として出力する。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。
以下、直交変換処理部８０６における具体的な処理について説明する。
直交変換処理部８０６は、バッファｂｕｆ’（ｋ）を内部に有しており、下記の式（１５）に示すようにバッファｂｕｆ’（ｋ）を初期化する。
Figure 0005448850
また、直交変換処理部８０６は、スペクトル調整部８０５から入力される復号高域スペクトルＳ＿ｈｉ２を用いて下記の式（１６）に従い、復号高域信号ｙ”を求めて出力する。
Figure 0005448850
式（１６）において、Ｚ（ｋ）は、下記の式（１７）に示すように、復号高域スペクトルＳ＿ｈｉ２(ｋ)とバッファｂｕｆ’（ｋ）とを結合させたベクトルである。
Figure 0005448850
次いで、直交変換処理部８０６は、下記の式（１８）に従ってバッファｂｕｆ’（ｋ）を更新する。
Figure 0005448850
上記のように、本実施の形態に係る符号化装置１０１において、入力信号が帯域分割処理部２０１により低中域信号と高域信号に分割された後、中域補正部２０３は、低域符号化部２０２内のローパスフィルタ３０６の処理によって抑圧された中域の周波数成分に対し、ローパスフィルタ３０６のフィルタ特性と逆の特性、あるいは逆の特性に近似した特性を適用することによりローパスフィルタ３０６を適用していない状態と同等の状態に中域の周波数成分を復元する。次に、中高域符号化部２０４において、復元した中域の周波数成分を利用して、低域から中高域の周波数成分を生成するための帯域拡張パラメータを算出する。そして本実施の形態に係る復号装置１０３は、低中域復号部６０２で得られる復号低域スペクトルと、符号化装置１０１から伝送された帯域拡張パラメータとから復号中高域スペクトルを算出する。低中域復号部６０２は、高域復号部６０３から入力される復号中域スペクトルと、分離部６０１から入力される低域符号化情報とを利用して低中域の周波数成分を有する復号低中域信号を算出する。次いで、帯域合成処理部６０４は、高域復号部６０３において復号高域スペクトルから算出された復号高域信号と、上記復号低中域信号とを帯域合成処理することにより、低域符号化部２０２内のローパスフィルタ３０６によって欠落した中域の周波数成分を含む出力信号（復号信号）を得ることができる。
このように、本実施の形態によれば、符号化装置は、入力信号をＱＭＦ等により低域成分と高域成分とに帯域分割して各成分を別々の符号化部にて符号化し、さらに低域符号化
のＴＤＡＣ符号化で得られたＭＤＣＴ係数を用い、低域符号化過程でローパスフィルタを適用することにより欠落した帯域の成分を復元して符号化する。このため、この復元に必要な演算量を抑えつつ、復号信号の品質を向上することができる。また、本実施の形態において中域補正処理は、低域符号化部で利用される符号化方法（本実施の形態ではＧ．７２９．１方式の符号化）の符号化性能にはほぼ影響を与えないため、低域符号化の符号化性能を保証することができる。
なお、本実施の形態では、低域符号化部２０２および低中域復号部６０２においてＣＥＬＰタイプ（Ｇ．７２９．１等）の音声符号化／復号を行う場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されず、低域符号化部２０２および低中域復号部６０２はＣＥＬＰタイプ以外の音声・楽音符号化方式によって低域信号を符号化／復号しても良い。
また、本実施の形態では、中域補正部２０３においてローパスフィルタ３０６の特性を予め算出して記憶する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されず、中域補正部２０３は、ローパスフィルタ３０６の特性が変化する度に算出して利用しても良い。また、予めローパスフィルタ３０６の特性を算出して記憶する場合には、ローパスフィルタ３０６特性の逆数を内部にテーブルとして記憶し、テーブル内の係数を中域スペクトルに乗じることで演算量を削減することが可能である。
また、本実施の形態では、帯域分割処理部２０１における帯域分割方法としてＱＭＦを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、帯域分割処理部２０１にＱＭＦ以外の帯域分割方法を用いても良い。
また、本実施の形態では、ローパスフィルタ３０６のフィルタ特性の算出方法については特に限定はされないが、ＴＤＡＣ符号化部３０７内で用いられる直交変換方法と同様の方法を用いてフィルタ特性を算出するのが望ましい。したがって、本実施の形態の構成においては、ＭＤＣＴ処理を用いてローパスフィルタ３０６のフィルタ特性を算出することが好適である。また例えば低域符号化部２０２内でＦＦＴ処理により周波数成分を算出している場合には、ローパスフィルタ３０６のフィルタ特性は同様にＦＦＴ処理によって算出されることが好適である。
また、本実施の形態では、帯域拡張符号化部４０３において、中高域符号化情報を算出する場合に、補正中域スペクトルを含む中高域スペクトルに対して特に中域と高域を区別するような処理を行わない構成について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、中高域スペクトル中の中域部分に対して補正結果を判定し、判定結果に応じた符号化処理を行う場合にも同様に適用できる。
例えば、中高域スペクトル算出部４０２において、補正中域スペクトルのスペクトルフラットネスメジャー（ＳＦＭ：Spectral Flatness Measure）を算出し、算出したＳＦＭの値を予め定められた閾値と比較し、この判定結果に応じて補正中域スペクトルに対して修正処理を行う場合を例に挙げて説明する。なお、ここで、ＳＦＭは、振幅スペクトルの幾何平均と算術平均との比（＝幾何平均／算術平均）で表される。スペクトルのピーク性が強いほどＳＦＭは０．０に近づき、スペクトルの雑音性が強いほどＳＦＭは１．０に近づく。この時、中高域スペクトル算出部４０２では、まず補正中域スペクトルのＳＦＭと予め定められた閾値とを比較する。ＳＦＭが閾値よりも小さい場合には、補正中域スペクトルのばらつきが強いと判定できるが、この場合には、中高域スペクトル算出部４０２は、補正中域スペクトルに対して、マルチタップフィルタによるスペクトルの平滑化（鈍化）を行い、得られた補正中域スペクトルを用いて中高域スペクトルを算出し、これを帯域拡張符号化部４０３に出力する。
帯域拡張符号化部４０３は、中高域スペクトル算出部４０２から入力される修正された中高域スペクトルを利用して、前述したような方法により中高域符号化情報を算出する。このような構成によって、中域補正部２０３によって補正された補正中域スペクトルのスペクトル特性のスペクトル上でのばらつきが強く、復号信号の異音の原因となるような場合において、補正中域スペクトルに対して平滑化処理を行うことで、復号信号の品質を向上させることができる。なお、中高域スペクトル算出部４０２における補正中域スペクトルの修正処理については、上記に挙げた平滑化処理の他、補正中域スペクトルをサブバンド毎に減衰させる方法、または補正中域スペクトルを予め内部に格納した雑音スペクトルで置換する方法、または補正中域スペクトルを低域スペクトル、高域スペクトルから線形予測する方法なども同様に適用できる。ここで、補正中域スペクトルを、低域スペクトル、及び高域スペクトルから線形予測する場合には、中高域スペクトル算出部４０２には、低域符号化部２０２から復号低域スペクトルが入力される必要がある。
また、補正中域スペクトルに対して上記のような修正処理を行うかどうかの判定に、補正中域スペクトルのＳＦＭを利用する以外に、補正中域スペクトルの時間的なエネルギの変動を利用することができる。この場合、補正中域スペクトルのエネルギをフレーム毎に算出し、過去フレームのエネルギとの変動量が予め定められた閾値以上であった場合には、補正中域スペクトルに対して上記のような修正処理（平滑化処理）を行う。このような構成により、補正中域スペクトルの時間的なエネルギの変動が非常に大きく、それにより復号信号に異音が生じてしまうような場合においても、良好な品質の復号信号を提供することができる。
また、帯域拡張符号化部４０３における符号化処理の他の切替方法として、例えば、リファレンスである中高域スペクトル内の中域部分に対しては、探索時の重みを切り替える方法が挙げられる。具体的には、探索部５０３において、式（１３）に代えて、式（１９）に従って類似度を算出するようにして実現できる。
Figure 0005448850
ここで、式（１９）中、Ｗ（ｋ）は、類似度を算出する際の係数である。ｋの値が中域部分（７−８ｋＨｚ）に属する場合には１．０以下の予め定められた値をとり、ｋの値が高域部分に属する場合は１．０という値をとるようにすることで、中高域スペクトル全体の類似度における補正中域スペクトルの部分の類似度の割合を下げることができ、補正中域スペクトルの精度が悪い場合に対しても、復号信号に異音が生じることを抑制できる。
また、帯域拡張符号化部４０３、中高域スペクトル算出部４０２、低域符号化部２０２における上記のような構成は、相互に組み合せて用いることも可能である。
また、本実施の形態では、低域符号化部（低中域復号部）と中高域符号化部（高域復号部）というレイヤ数が２である場合のスケーラブル符号化／復号方法を例にとって説明したが、本発明はこれに限らずレイヤ数が３以上であるスケーラブル符号化／復号方法についても同様に適用できる。なお、レイヤ数が３以上のスケーラブル符号化／復号方法において、最上位のレイヤ以外のレイヤ（例えばレイヤＬとする）に対して本発明の中高域符号化部の構成を適用した場合に、レイヤ（Ｌ＋１）では、中域部分の誤差スペクトルを優先的に符号化するように制御することにより、レイヤ（Ｌ＋１）の復号信号の品質をより
向上させることができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る通信システム（図示せず）は、図１に示した通信システムと基本的に同様であり、復号装置の構成および動作の一部のみにおいて、図１の通信システムの復号装置１０３と相違する。以下、本実施の形態に係る通信システムの復号装置について符号「１１３」を付し、説明を行う。
図１３は、本実施の形態に係る復号装置１１３の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係る復号装置１１３は、図１０に示した復号装置１０３と基本的に同様な構成を有し、基本的に同様な動作を行う。復号装置１１３は、加算部９０４および中域復号部９０３をさらに有する点において復号装置１０３と相違する。また、復号装置１１３の低域復号部９０１、高域復号部９０２、および帯域合成処理部９０５は、復号装置１０３の低中域復号部６０２、高域復号部６０３、および帯域合成処理部６０４と動作の一部のみにおいて相違する。
低域復号部９０１は、図１０に示した低中域復号部６０２とは異なり、高域復号部９０２から復号中域スペクトルが入力されず、分離部６０１から入力される低域符号化情報を復号して復号低域スペクトルおよび復号低域信号を生成する。また低域復号部９０１は、復号低域スペクトルを高域復号部９０２に出力し、復号低域信号を加算部９０４に出力する。なお、低域復号部９０１の詳細については後述する。
高域復号部９０２は、分離部６０１から入力される中高域符号化情報と、低域復号部９０１から入力される復号低域スペクトルとから復号高域信号を生成して帯域合成処理部９０５に出力する。また、高域復号部９０２は、図１０に示した高域復号部６０３とは異なり、復号高域信号を生成する際に算出される復号中域スペクトルを低域復号部９０１に出力せず中域復号部９０３に出力する。
中域復号部９０３は、高域復号部９０２から入力される復号中域スペクトルに対し逆ＭＤＣＴ等の直交変換処理を施して復号中域信号を生成し、加算部９０４に出力する。なお、中域復号部９０３における逆ＭＤＣＴは、実施の形態１に係る直交変換処理部８０６における逆ＭＤＣＴと基本的に同様であり、処理対象のみ相違するため、詳細な説明を省略する。
加算部９０４は、低域復号部９０１から入力される復号低域信号と、中域復号部９０３から入力される復号中域信号とを加算し、得られる加算信号を復号低中域信号として帯域合成処理部９０５に出力する。
帯域合成処理部９０５には、加算部９０４から復号低中域信号が入力され、高域復号部９０２から復号高域信号が入力される。帯域合成処理部９０５は、帯域分割処理部２０１とは逆の処理を行うことにより、サンプリング周波数が１６ｋＨｚである復号低中域信号（０〜８ｋＨｚ帯域）と復号高域信号（８〜１６ｋＨｚ帯域）とから、サンプリング周波数が３２ｋＨｚ（０〜１６ｋＨｚ帯域）である出力信号を生成して出力する。
図１４は、図１３に示した低域復号部９０１の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、低域復号部９０１は、図１１に示した低中域復号部６０２と基本的に同様な構成を有し、基本的に同様な動作を行う。低域復号部９０１のＴＤＡＣ復号部１００３は、低中域復号部６０２のＴＤＡＣ復号部７０３と一部の動作のみにおいて相違する。
ＴＤＡＣ復号部１００３には、図１１に示したＴＤＡＣ復号部７０３とは異なり、高域
復号部９０２から７〜８ｋＨｚ帯域の復号中域スペクトルが入力されず、分離部７０１から入力されるＴＤＡＣパラメータ、ＣＥＬＰ復号部７０２から入力される復号第１低域信号あるいは復号第１低域信号を生成する際に算出された情報、およびＴＤＢＷＥ復号部７０４から入力される復号ＴＤＢＷＥ信号を用いて復号低域スペクトルを算出して高域復号部９０２に出力する。また、ＴＤＡＣ復号部１００３は、算出した復号低域スペクトルの０〜４ｋＨｚ帯域と４〜７ｋＨｚ帯域それぞれに対して別々に直交変換処理を施して復号第１ＴＤＡＣ信号（０〜４ｋＨｚ帯域）と復号第２ＴＤＡＣ信号（４〜７ｋＨｚ帯域）を算出する。ＴＤＡＣ復号部１００３は、復号第１ＴＤＡＣ信号をプリ／ポストエコー削減部７０５に出力し、復号第２ＴＤＡＣ信号をプリ／ポストエコー削減部７０９に出力する。
ＴＤＡＣ復号部１００３からプリ／ポストエコー削減部７０９に入力される復号第２ＴＤＡＣ信号は中域（７〜８ｋＨｚ）の成分を含まないため、プリ／ポストエコー削減部７０９およびハイパスフィルタ７１０を介して帯域合成処理部７１１に入力される信号も中域の成分を含まない。従って、帯域合成処理部７１１から出力される信号も中域の成分を含まず、復号低中域信号ではなく復号低域信号となる。
図１４に示した低域復号部９０１における復号は、算出した復号低域スペクトルを高域復号部９０２に出力する点のみがＧ．７２９．１方式の復号と相違し、図１１に示した低中域復号部６０２における復号とＧ．７２９．１方式の復号との相違点よりも少ない。
このように、本実施の形態によれば、符号化側においては、入力信号をＱＭＦ等により低域成分と高域成分とに帯域分割して各成分を別々の符号化部にて符号化し、さらに低域符号化過程でローパスフィルタを適用することにより欠落した帯域の成分を復元して符号化する。また、復号側においては、低域成分を復号する復号部とは別の復号部にて上記の復元された帯域の成分の復号を行う。このため、既存のＧ．７２９．１方式の復号に対してより少ない修正を行って低域成分の復号に利用することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る通信システム（図示せず）は、図１に示した通信システムと基本的に同様であり、符号化装置、復号装置の構成および動作の一部のみにおいて、図１の通信システムの符号化装置１０１、復号装置１０３と相違する。以下、本実施の形態に係る通信システムの符号化装置および復号装置についてそれぞれ符号「１２１」および「１２３」を付し、説明を行う。
図１５は、本実施の形態に係る符号化装置１２１の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係る符号化装置１２１は、図２に示した符号化装置１０１と基本的に同様な構成を有し、基本的に同様な動作を行う。符号化装置１２１は、中域符号化部１１０３をさらに有する点において符号化装置１０１と相違する。また、符号化装置１２１の低域符号化部１１０１、中域補正部１１０２、高域符号化部１１０４、および多重化部１１０５は、符号化装置１０１の低域符号化部２０２、中域補正部２０３、中高域符号化部２０４、および多重化部２０５と動作の一部のみにおいて相違する。
低域符号化部１１０１は、図２に示した低域符号化部２０２に比べて復号低域スペクトルＳ＿ｌｏを高域符号化部１１０４に出力しない点のみが相違する。具体的には、低域符号化部１１０１は、帯域分割処理部２０１から入力される０〜８ｋＨｚ帯域の低中域信号ｘ＿ｌｏを用いて例えばＩＴＵ−Ｔで規格化されているＧ．７２９．１等の符号化を行い、生成された低域符号化情報を多重化部１１０５に出力する。また、低域符号化部１１０１は、低域符号化情報を求める過程で算出した中域（７〜８ｋＨｚ帯域）の周波数成分を中域スペクトルＸ＿ｍｉｄとして中域補正部１１０２に出力する。なお、低域符号化部１
１０１の詳細については後述する。
中域補正部１１０２は、低域符号化部１１０１から入力される中域スペクトルＸ＿ｍｉｄに対して周波数領域において補正を行い、得られたスペクトルを補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄとして中域符号化部１１０３に出力する。すなわち、中域補正部１１０２は、図２に示した中域補正部２０３に比べ、生成した補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄを高域符号化部１１０４ではなく中域符号化部１１０３に出力する点のみが相違する。なお、中域補正部１１０２における中域スペクトルの補正処理は、図２の中域補正部２０３における処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。
中域符号化部１１０３は、中域補正部１１０２から入力される補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄに対して量子化を行い、得られる中域符号化情報を多重化部１１０５に出力する。なお、中域符号化部１１０３の詳細については後述する。
高域符号化部１１０４は、帯域分割処理部２０１から入力される８〜１６ｋＨｚ帯域の高域信号を量子化し、得られる高域符号化情報を多重化部１１０５に出力する。高域符号化部１１０４の詳細については後述する。
多重化部１１０５は、低域符号化部１１０１から入力される低域符号化情報、中域符号化部１１０３から入力される中域符号化情報、および高域符号化部１１０４から入力される高域符号化情報を多重化し、多重化結果を符号化情報として伝送路１０２に出力する。
図１６は、図１５に示した低域符号化部１１０１の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、図１６に示した低域符号化部１１０１は、図３に示した低域符号化部２０２と基本的に同様な構成を有し、基本的に同様な動作を行う。低域符号化部１１０１のＴＤＡＣ符号化部１２０１は、低域符号化部２０２のＴＤＡＣ符号化部３０７と動作の一部のみにおいて相違する。
ＴＤＡＣ符号化部１２０１は、図３に示したＴＤＡＣ符号化部３０７に比べ、復号低域スペクトルＳ＿ｌｏを高域符号化部１１０４に出力しない点のみが相違する。具体的には、ＴＤＡＣ符号化部１２０１は、加算部３０５から入力される差分信号、およびローパスフィルタ３０６から入力されるフィルタ後第２低域信号それぞれに対してＭＤＣＴ等の直交変換を施し、得られる０〜８ｋＨｚ帯域の周波数領域信号（ＭＤＣＴ係数）のうち、７〜８ｋＨｚ帯域の部分を中域スペクトルＸ＿ｍｉｄとして中域補正部１１０２に出力する。さらに、ＴＤＡＣ符号化部１２０１は、ＭＤＣＴ等の直交変換により得られた周波数領域信号（ＭＤＣＴ係数）を量子化し、得られるＴＤＡＣパラメータを多重化部３０９に出力する。
図１７は、図１５に示した中域符号化部１１０３の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図１７において、中域符号化部１１０３は、シェイプ量子化部１３０１、ゲイン量子化部１３０２、および多重化部１３０３を備え、各部は以下の動作を行う。
シェイプ量子化部１３０１は、中域補正部１１０２から入力される補正中域スペクトルＳ＿ｍｉｄ’（ｋ）に対して、サブバンド毎にシェイプ量子化を行う。具体的には、シェイプ量子化部１３０１は、中域（７〜８ｋＨｚ帯域）をＬ＿ｍｉｄ個のサブバンドに分割し、各サブバンド毎に、ＳＱ＿ｍｉｄ個のシェイプコードベクトルからなる内蔵のシェイプコードブックを探索して下記の式（２０）の結果が最大となるシェイプコードベクトルのインデックスを求める。
Figure 0005448850
式（２０）において、ＳＣｉ ｋ’はシェイプコードブックを構成するシェイプコードベクトルを示し、ｉはシェイプコードベクトルのインデックスを示し、ｋ’はシェイプコードベクトルの要素のインデックスを示す。また、Ｗ（ｊ）はサブバンドインデックスがｊであるサブバンドのバンド幅を示す。また、Ｂ（ｊ）はサブバンドインデックスがｊであるサブバンドの先頭サンプルのインデックスを示す。
シェイプ量子化部１３０１は、上記の式（２０）の結果が最大となるシェイプコードベクトルのインデックスＳ＿ｍａｘ＿ｍｉｄを中域シェイプ符号化情報として多重化部１３０３に出力する。またシェイプ量子化部１３０１は、下記の式（２１）に従い、理想ゲイン値Ｇａｉｎ＿ｉ＿ｍｉｄ（ｊ）を算出してゲイン量子化部１３０２に出力する。
Figure 0005448850
ゲイン量子化部１３０２は、下記の式（２２）に従い、シェイプ量子化部１３０１から入力される理想ゲイン値Ｇａｉｎ＿ｉ＿ｍｉｄ（ｊ）を量子化する。ここで、ゲイン量子化部１３０２は、理想ゲイン値をＬ＿ｍｉｄ次元ベクトルとして扱い、ベクトル量子化を行う。また、式（２２）において、ＧＣｉ ｊはゲインコードブックを構成するゲインコードベクトルを示し、ｉはゲインコードベクトルのインデックスを示し、ｊはゲインコードベクトルの要素のインデックスを示す。
Figure 0005448850
ここでは、上記の式（２２）を最小にするコードブックのインデックスをＧ＿ｍｉｎ＿ｍｉｄと記す。
ゲイン量子化部１３０２は、Ｇ＿ｍｉｎ＿ｍｉｄを中域ゲイン符号化情報として多重化部１３０３に出力する。
多重化部１３０３は、シェイプ量子化部１３０１から入力される中域シェイプ符号化情報、およびゲイン量子化部１３０２から入力される中域ゲイン符号化情報を多重化し、多重化結果を中域符号化情報として多重化部１１０５に出力する。
図１８は、図１５に示した高域符号化部１１０４の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図１８において高域符号化部１１０４は、直交変換処理部１４０１、シェイプ量子化部
１４０２、ゲイン量子化部１４０３、および多重化部１４０４を備え、各部は以下の動作を行う。
直交変換処理部１４０１は、帯域分割処理部２０１から入力される高域信号（８〜１６ｋＨｚ帯域）に対してＭＤＣＴ等の直交変換処理を行い、高域信号の周波数成分である高域スペクトルＳ＿ｈｉを算出してシェイプ量子化部１４０２に出力する。なお、直交変換処理部１４０１におけるＭＤＣＴ等の直交変換処理は、実施の形態１に係る直交変換処理部４０１におけるＭＤＣＴ等の直交変換処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。
シェイプ量子化部１４０２は、直交変換処理部１４０１から入力される高域スペクトルＳ＿ｈｉに対してサブバンド毎にシェイプ量子化を行う。具体的には、シェイプ量子化部１４０２は高域（８〜１６ｋＨｚ帯域）をＬ＿ｈｉ個のサブバンドに分割し、各サブバンド毎に、ＳＱ＿ｈｉ個のシェイプコードベクトルからなる内蔵のシェイプコードブックを探索して下記の式（２３）の結果が最大となるシェイプコードベクトルのインデックスを求める。
Figure 0005448850
式（２３）において、ＳＣｉ ｋ’はシェイプコードブックを構成するシェイプコードベクトルを示し、ｉはシェイプコードベクトルのインデックスを示し、ｋ’はシェイプコードベクトルの要素のインデックスを示す。また、Ｗ（ｊ）はサブバンドインデックスがｊであるサブバンドのバンド幅を示す。また、Ｂ（ｊ）はサブバンドインデックスがｊであるサブバンドの先頭サンプルのインデックスを示す。
シェイプ量子化部１４０２は、上記の式（２３）の結果が最大となるシェイプコードベクトルのインデックスＳ＿ｍａｘ＿ｈｉを高域シェイプ符号化情報として多重化部１４０４に出力する。また、シェイプ量子化部１４０２は、下記の式（２４）に従い、理想ゲイン値Ｇａｉｎ＿ｉ＿ｈｉ（ｊ）を算出してゲイン量子化部１４０３に出力する。
Figure 0005448850
ゲイン量子化部１４０３は、下記の式（２５）に従い、シェイプ量子化部１４０２から入力される理想ゲイン値Ｇａｉｎ＿ｉ＿ｈｉ（ｊ）を量子化する。ここで、ゲイン量子化部１４０３は、理想ゲイン値をＬ次元ベクトルとして扱い、ベクトル量子化を行う。また式（２５）において、ＧＣｉ ｊはゲインコードブックを構成するゲインコードベクトルを示し、ｉはゲインコードベクトルのインデックスを示し、ｊはゲインコードベクトルの要素のインデックスを示す。なお、ここでゲイン量子化部１４０３では、ゲイン量子化部１３０２とは異なるコードブックを用いるものとする。
Figure 0005448850
ここでは、上記の式（２５）を最小にするコードブックのインデックスをＧ＿ｍｉｎ＿ｈｉと記す。
ゲイン量子化部１４０３は、Ｇ＿ｍｉｎ＿ｈｉを高域ゲイン符号化情報として多重化部１４０４に出力する。
多重化部１４０４は、シェイプ量子化部１４０２から入力される高域シェイプ符号化情報と、ゲイン量子化部１４０３から入力される高域ゲイン符号化情報とを多重化し、多重化結果を高域符号化情報として多重化部１１０５に出力する。
図１９は、本実施の形態に係る復号装置１２３の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係る復号装置１２３は、図１３に示した復号装置１１３と基本的に同様な構成を有し、基本的に同様な動作を行う。復号装置１２３の分離部１５０１、低域復号部１５０２、中域復号部１５０３、および高域復号部１５０４は、復号装置１１３の分離部６０１、低域復号部９０１、中域復号部９０３、および高域復号部９０２と動作の一部のみにおいて相違する。
分離部１５０１は、伝送路１０２を介して符号化装置１２１から伝送される符号化情報を、低域符号化情報、中域符号化情報、および高域符号化情報に分離し、低域符号化情報を低域復号部１５０２に出力し、中域符号化情報を中域復号部１５０３に出力し、高域符号化情報を高域復号部１５０４に出力する。
低域復号部１５０２は、図１３に示した低域復号部９０１と比べて復号低域スペクトルを高域復号部１５０４に出力しない点のみが相違する。低域復号部１５０２は、分離部１５０１から入力される低域符号化情報を復号し、生成された復号低域信号を加算部９０４に出力する。なお、低域復号部１５０２の構成および動作は、実施の形態２に係る低域復号部９０１の構成および動作と基本的に同様であるため、詳細な説明を省略する。
中域復号部１５０３は、図１３に示した中域復号部９０３と比べて高域復号部１５０４から復号中域スペクトルが入力されない点が相違する。中域復号部１５０３は、分離部１５０１から入力される中域符号化情報を復号し、得られる復号中域信号を加算部９０４に出力する。なお、中域復号部１５０３の詳細については後述する。
高域復号部１５０４は、図１３に示した高域復号部９０２と比べて低域復号部１５０２から復号低域スペクトルが入力されず、中域復号部１５０３に中域復号スペクトルを出力しない点が相違する。具体的には高域復号部１５０４は、分離部１５０１から入力される高域符号化情報を復号し、得られる復号高域信号を帯域合成処理部９０５に出力する。なお、高域復号部１５０４の詳細については後述する。
図２０は、図１９に示した中域復号部１５０３の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図２０において中域復号部１５０３は、分離部１６０１、シェイプ逆量子化部１６０２、ゲイン逆量子化部１６０３、および直交変換処理部１６０４を備え、各部は以下の動作を行う。
分離部１６０１は、分離部１５０１から入力される中域符号化情報を中域シェイプ符号化情報Ｓ＿ｍａｘ＿ｍｉｄと中域ゲイン符号化情報Ｇ＿ｍｉｎ＿ｍｉｄとに分離し、中域シェイプ符号化情報Ｓ＿ｍａｘ＿ｍｉｄをシェイプ逆量子化部１６０２に出力し、中域ゲイン符号化情報Ｇ＿ｍｉｎ＿ｍｉｄをゲイン逆量子化部１６０３に出力する。
シェイプ逆量子化部１６０２は、分離部１６０１から入力される中域シェイプ符号化情報を逆量子化することによりシェイプの値を求め、求められたシェイプの値をゲイン逆量子化部１６０３に出力する。具体的には、シェイプ逆量子化部１６０２は、符号化装置１２１のシェイプ量子化部１３０１が備えるシェイプコードブックと同様なシェイプコードブックを内蔵し、分離部１６０１から入力される中域シェイプ符号化情報Ｓ＿ｍａｘ＿ｍｉｄをインデックスとするシェイプコードベクトルを探索する。シェイプ逆量子化部１６０２は、探索されたコードベクトルをシェイプの値としてゲイン逆量子化部１６０３に出力する。ここでは、シェイプの値として探索されたシェイプコードベクトルをＳｈａｐｅ＿ｑ＿ｍｉｄ（ｋ’）（ｋ’＝Ｂ（ｊ），…，Ｂ（ｊ＋Ｌ＿ｍｉｄ）−１）と記す。
ゲイン逆量子化部１６０３は、分離部１６０１から入力される中域ゲイン符号化情報を逆量子化することによりゲインの値を求める。またゲイン逆量子化部１６０３は、求めたゲインの値と、シェイプ逆量子化部１６０２から入力されるシェイプの値とから復号中域スペクトルを算出する。ゲイン逆量子化部１６０３は、算出した復号中域スペクトルを直交変換処理部１６０４に出力する。
具体的には、ゲイン逆量子化部１６０３は、符号化装置１２１のゲイン量子化部１３０２が備えるゲインコードブックと同様なゲインコードブックを内蔵し、このゲインコードブックを用いて下記の式（２６）に従い、ゲインの値を逆量子化する。ここでも、ゲイン逆量子化部１６０３は、ゲインの値をＬ＿ｍｉｄ次元ベクトルとして扱ってベクトル逆量子化を行う。すなわち、ゲイン逆量子化部１６０３は、ゲイン符号化情報Ｇ＿ｍｉｎ＿ｍｉｄに対応するゲインコードベクトルＧＣｊ Ｇ＿ｍｉｎ＿ｍｉｄを直接ゲイン値とする。
Figure 0005448850
次いで、ゲイン逆量子化部１６０３は、現フレームの逆量子化で得られるゲイン値、およびシェイプ逆量子化部１６０２から入力されるシェイプの値を用い、下記の式（２７）に従って復号ＭＤＣＴ係数Ｓ＿ｍｉｄ２’（ｋ）を算出する。ここで、式（２７）において、ｋは０〜Ｎｍｉｄ＿ｈｉ−１の値であり、ｋ’とｊから算出される。ゲイン逆量子化部１６０３は、算出した復号ＭＤＣＴ係数Ｓ＿ｍｉｄ２’（ｋ）を復号中域スペクトルとして直交変換処理部１６０４に出力する。
Figure 0005448850
直交変換処理部１６０４は、ゲイン逆量子化部１６０３から入力される復号中域スペクトルに対して修正離散コサイン逆変換等の直交変換処理を行って時間領域の信号を生成し、復号中域信号として加算部９０４に出力する。なお、直交変換処理部１６０４における直交変換処理は、実施の形態１に係る直交変換処理部８０６（図１２参照）における直交変換処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。
図２１は、図１９に示した高域復号部１５０４の内部の主要な構成を示すブロック図である。
図２１において高域復号部１５０４は、分離部１７０１、シェイプ逆量子化部１７０２、ゲイン逆量子化部１７０３、および直交変換処理部１７０４を備え、各部は以下の動作を行う。
分離部１７０１は、分離部１５０１から入力される高域符号化情報を高域シェイプ符号化情報Ｓ＿ｍａｘ＿ｈｉと高域ゲイン符号化情報Ｇ＿ｍｉｎ＿ｈｉとに分離し、高域シェイプ符号化情報Ｓ＿ｍａｘ＿ｈｉをシェイプ逆量子化部１７０２に出力し、高域ゲイン符号化情報Ｇ＿ｍｉｎ＿ｈｉをゲイン逆量子化部１７０３に出力する。
シェイプ逆量子化部１７０２は、分離部１７０１から入力される高域シェイプ符号化情報Ｓ＿ｍａｘ＿ｈｉを逆量子化することによりシェイプの値を求め、求められたシェイプの値をゲイン逆量子化部１７０３に出力する。
ゲイン逆量子化部１７０３は、分離部１７０１から入力される高域ゲイン符号化情報Ｇ＿ｍｉｎ＿ｈｉを逆量子化することによりゲインの値を求める。またゲイン逆量子化部１７０３は、求めたゲインの値と、シェイプ逆量子化部１７０２から入力されるシェイプの値とから復号高域スペクトルを算出して直交変換処理部１７０４に出力する。なお、ゲイン逆量子化部１７０３における逆量子化等の処理は、ゲイン逆量子化部１６０３（図２０参照）における逆量子化等の処理と基本的に同様であるため、詳細な説明を省略する。
直交変換処理部１７０４は、ゲイン逆量子化部１７０３から入力される復号高域スペクトルに対して修正離散コサイン逆変換等の直交変換処理を行って時間領域の信号を生成し、復号高域信号として帯域合成処理部９０５に出力する。なお、直交変換処理部１７０４における直交変換処理は、実施の形態１に係る直交変換処理部８０６（図１２参照）における直交変換処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。
このように、本実施の形態によれば、符号化側においては、入力信号をＱＭＦ等により低域成分と高域成分とに帯域分割して各成分を別々の符号化部にて符号化し、さらに低域符号化過程でローパスフィルタを適用することにより欠落した帯域の成分を復元して符号化する。また、復号側においては、低域成分と上記復元した帯域の成分と高域成分とを別々の復号部にて復号する。このため、低域成分を利用して拡張符号化を行わず高域成分を符号化する場合でも、低域符号化過程でローパスフィルタを適用することにより欠落した帯域の成分を復元して符号化することができ、復号信号の品質を向上することができる。
以上、本発明の各実施の形態について説明した。
なお、上記各実施の形態において、符号化情報やパラメータ等を多重化する際、二段階で連続して多重化する構成（多重化部３０９と多重化部２０５、等のように）については、前段の多重化部を設けずに、後段の多重化部でまとめて多重化しても良い。逆に、多重化された符号化情報やパラメータ等を分離する際、二段階で連続して分離する構成（分離部６０１と分離部７０１、等のように）については、後段の分離部を設けずに、前段の分離部でまとめて分離しても良い。
また、本発明に係る符号化装置、復号装置およびこれらの方法は、上記各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。例えば、各実施の形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。
また、上記各実施の形態における復号装置は、上記各実施の形態における符号化装置から伝送された符号化情報を用いて処理を行うとしたが、本発明はこれに限定されず、必要なパラメータやデータを含む符号化情報であれば、必ずしも上記各実施の形態における符号化装置からの符号化情報でなくても処理は可能である。
本発明に係る符号化装置および復号装置は、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が可能であり、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、基地局装置、および移動体通信システムを提供することができる。
また、上記各実施の形態では、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。
また、信号処理プログラムを、メモリ、ディスク、テープ、ＣＤ、ＤＶＤ等の機械読み取り可能な記録媒体に記録、書き込みをし、動作を行う場合についても、本発明は適用することができ、本実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
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チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩ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よい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や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よい。
さらには、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よい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
２００８年１月２５日出願の特願２００８−０１５６５０および２００８年５月１６日出願の特願２００８−１２９７１１の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明にかかる符号化装置、復号装置およびこれらの方法は、入力信号をＱＭＦ等により低域成分と高域成分とに帯域分割して各成分を別々の符号化部にて符号化する際に、復号信号の品質を向上することができ、例えば、パケット通信システム、移動通信システム等に適用できる。
本発明の実施の形態１に係る符号化装置および復号装置を有する通信システムの構成を示すブロック図 図１に示した符号化装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図２に示した低域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図３に示したローパスフィルタの周波数特性を示す図 図３に示したローパスフィルタの周波数特性を示す図 図２に示した中高域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図６に示した帯域拡張符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図７に示したフィルタリング部におけるフィルタリング処理の詳細について説明するための図 図７に示した探索部において最適ピッチ係数を探索する処理の手順を示すフロー図 図１に示した復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１０に示した低中域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１０に示した高域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１３に示した低域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る符号化装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１５に示した低域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１５に示した中域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１５に示した高域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１９に示した中域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１９に示した高域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図

Claims (9)

  1. 入力信号に対して帯域分割処理を行って第１周波数より低い低中域成分と、前記第１周波数以上の高域成分とを得る帯域分割手段と、
    前記低中域成分のうち第２周波数以上の部分を抑圧して低域成分を得、前記低域成分を符号化して低域符号化情報を得る低域符号化手段と、
    前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分を補正して補正中域成分を得る中域補正手段と、
    前記補正中域成分と前記高域成分とを符号化して中高域符号化情報を得る中高域符号化手段と、
    を具備し、
    前記低域符号化手段は、
    前記低中域成分に対しローパスフィルタリングを行って前記中域成分を抑圧し、前記低域成分を得るローパスフィルタと、
    前記低域成分を符号化して前記低域符号化情報を得、さらに前記符号化の過程において前記中域成分のスペクトルを得る符号化手段と、を具備し、
    前記中域補正手段は、
    前記スペクトルに前記ローパスフィルタの特性の逆数を乗じて前記補正中域成分を得る、
    符号化装置。
  2. 前記中域補正手段は、
    前記補正中域成分に１より小さい補正係数を乗算する、
    請求項１記載の符号化装置。
  3. 前記符号化手段は、
    さらに前記低域符号化情報を復号して復号低域スペクトルを得、
    前記中高域符号化手段は、
    前記高域成分を直交変換して高域スペクトルを得る直交変換手段と、
    前記高域スペクトルと前記補正中域成分とから中高域スペクトルを構成する中高域スペクトル構成手段と、
    前記復号低域スペクトルと前記中高域スペクトルとを用いて帯域拡張処理を行い、前記復号低域スペクトルから前記中高域スペクトルを推定するためのパラメータを前記中高域符号化情報として得る帯域拡張手段と、
    を具備する請求項１記載の符号化装置。
  4. 前記中高域スペクトル構成手段は、前記補正中域成分を直交変換して中域スペクトルを得、
    前記中域補正手段は、前記補正中域成分のスペクトルフラットネスメジャーが所定の閾値より小さい場合、前記中域スペクトルを平滑化する、
    請求項３に記載の符号化装置。
  5. 前記中高域符号化手段は、
    前記補正中域成分のシェイプとゲインとを量子化して中域符号化情報を得る中域符号化手段と、
    前記高域成分のシェイプとゲインとを量子化して高域符号化情報を得る高域符号化手段と、
    前記中域符号化情報と高域符号化情報とを多重して前記中高域符号化情報を得る多重手段と、
    を具備する請求項１記載の符号化装置。
  6. 符号化装置において入力信号が帯域分割されて得られた第１周波数より低い低中域成分のうち第２周波数以上の部分が抑圧されて得られた低域成分が符号化された低域符号化情報と、前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分が補正されて得られた補正中域成分および前記帯域分割により得られた前記第１周波数以上の高域成分が符号化された中高域符号化情報と、を受信する受信手段と、
    前記低域符号化情報を復号して復号低域スペクトルを得る低中域復号手段と、
    前記復号低域スペクトルを用いて前記中高域符号化情報を復号して復号高域信号と復号中域スペクトルとを得る高域復号手段と、
    を具備し、
    前記低域成分は、前記低中域成分に対し、ローパスフィルタによるローパスフィルタリングを行って前記中域成分を抑圧することにより得られ、
    前記低域符号化情報は前記低域成分を符号化して得られ、前記中域成分のスペクトルは前記符号化の過程において得られ、
    前記補正中域成分は、前記スペクトルに前記ローパスフィルタの特性の逆数を乗じて得られる、
    復号装置。
  7. 前記低中域復号手段は、
    前記低域符号化情報を復号して前記復号低域スペクトルと復号低域信号とを得る低域復号手段と、
    前記復号中域スペクトルを復号して復号中域信号を得る中域復号手段と、
    前記復号低域信号と前記復号中域信号とを加算して復号低中域信号を得る加算手段と、
    を具備する請求項６記載の復号装置。
  8. 入力信号に対して帯域分割処理を行って第１周波数より低い低中域成分と、前記第１周波数以上の高域成分とを得るステップと、
    前記低中域成分のうち第２周波数以上の部分を抑圧して低域成分を得、前記低域成分を符号化して低域符号化情報を得るステップと、
    前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分を補正して補正中域成分を得るステップと、
    前記補正中域成分と前記高域成分とを符号化して中高域符号化情報を得るステップと、
    を有し、
    前記低域符号化情報を得るステップは、
    前記低中域成分に対し、ローパスフィルタによるローパスフィルタリングを行って前記中域成分を抑圧し、前記低域成分を得るステップと、
    前記低域成分を符号化して前記低域符号化情報を得、さらに前記符号化の過程において前記中域成分のスペクトルを得るステップと、を有し、
    前記補正中域成分を得るステップは、
    前記スペクトルに前記ローパスフィルタの特性の逆数を乗じて前記補正中域成分を得る、
    符号化方法。
  9. 符号化装置において入力信号が帯域分割されて得られた第１周波数より低い低中域成分のうち第２周波数以上の部分が抑圧されて得られた低域成分が符号化された低域符号化情報と、前記抑圧された前記低中域成分のうち前記第２周波数以上の中域成分が補正されて得られた補正中域成分および前記帯域分割により得られた前記第１周波数以上の高域成分が符号化された中高域符号化情報と、を受信するステップと、
    前記低域符号化情報を復号して復号低域スペクトルを得るステップと、
    前記復号低域スペクトルを用いて前記中高域符号化情報を復号して復号高域信号と復号中域スペクトルとを得るステップと、
    を有し、
    前記低域成分は、前記低中域成分に対し、ローパスフィルタによるローパスフィルタリングを行って前記中域成分を抑圧することにより得られ、
    前記低域符号化情報は前記低域成分を符号化して得られ、前記中域成分のスペクトルは前記符号化の過程において得られ、
    前記補正中域成分は、前記スペクトルに前記ローパスフィルタの特性の逆数を乗じて得られる、
    復号方法。
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