JPH0360532A - 信号処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、入力データの量子化を行う際に用いられる信
号処理装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、人力データの複数ワードより戒る人力ベクト
ルと対応したコードベクトルと、入力ベクトルとの差を
とって得られる量子化誤差ベクトルを複数ワード毎のサ
ブベクトルに分割し、これらのサブベクトルをそれぞれ
ベクトル量子化することにより、簡単な構成で量子化効
率を向上させることが可能な信号処理装置を提供するも
のである。

〔従来の技術〕

信号の量子化を行う際の手法としては、信号の個々の独
立したサンプル値を量子化するスカラー量子化の手法が
存在する。この上記スカラー量子化は、ｌサンプル（１
ワード）単位で量子化を行っているため、１ワード当た
り１ビツト以下の端数ビット（小数ビット）となる量子
化を行うことが出来ない。これに対し、サンプル値の系
列（複数ワードのつながり）を適当な大きさに区切って
１つのブロックにまとめ、このｌブロックを１つのベク
トルとして量子化するベクトル量子化の手法がある。こ
こで、上述したスカラー量子化は、各ワード間の相関を
除去できるが、各ワードを例えば２ビット長稈度の低ビ
ツトレートで量子化すると量子化歪みが大きくなる。こ
れに対し、ベクトル量子化は、少ないビット数であって
も量子化歪みが少なく、かつ各ワード間の相関を大幅に
除去できるので量子化効率が高いものとなる。

上記ベクトル量子化を第３図を用いて簡単に説明する。

第３図において、入力信号の波形を時間軸上で離散的に
サンプリング（サンプリングポイントＰ）したサンプリ
ングデータＳが８ワードあり、それぞれが１６ビツト長
で得られている１ブロツクがあるとする。なお、図中Ｍ
ＳＢは１６ビツト長の最上位ビットを、図中ＬＳＢは最
下位ビットを示す。このような場合に必要とされるビッ
ト数は、８ワード×１６ビツト＝１２８ビツトであるが
、これを１ワード当たり２ビツトの１６ビツトで表現す
ることを考えると、予め設けられた２”＝６５５３６個
の８ワード×１６ビツトのコードベクトル（代表ベクト
ル）から最も近いコードベクトル（最適ベクトル）を選
びだすことでベクトル量子化を実現することができる。

しかし、２”＝６５５３６個のベクトルの中から最適ベ
クトルを選びだすための計算が必要になってくる。

特に高品質の信号が要求される音声信号、映像信号等を
ベクトル量子化する場合には、サーチしなければならな
いコードベクトルの数が、例えば、ベクトル長日ワード
で各ワードの長さが平均して６ビツトの時、２の８Ｘ６
乗すすｆ）チ２”Ｌｉ２．８ｘ　ｌ　Ｑ　１４のコード
ベクトルの中から最適ベクトルを選択することになり、
その演算量は天文学的な数となってしまう。すなわち、
ベクトル量子化は、本来ならベクトル長（ベクトル内の
ワー　ド数）を長くとり、多くのワード（サンプル）か
ら相関を除く方が量子化効率がよくなるが、同一ワード
長でベクトル量子化すると仮定するとサーチの演算が大
きくなる。

そのため、このようなことを避ける方法の一例として多
段ベクトル量子化の手法が知られている。

この多段ベクトル量子化は、第４図に示す構成の装置で
行われる。この第４図は、２段のベクトル量子化の例を
示しており、入力端子１２１には、８ワード×１６ビツ
トの１ブロツクのベクトルデータが供給されているとす
る。この入力ベクトルは、先ず第１段のベクトル量子化
（ＶＱ）器１２２で２４ビツトを使うベクトル量子化処
理を受ける。ここで、上記ベクトル量子化器１２２には
、コードベクトル（代表ベクトル）が番号付けられて記
録されているメモリのコードブックがあり、上記端子１
２１を介した入力ベクトルとメモリされているコードベ
クトルとが比較され、一番類似しているコードベクトル
が見出され、その番号すなわち識別コード（インデック
ス）が読み出されてこの識別コードが第１の出力コード
Ｃ８として端子１２５から出力される。また、加算器１
２３からは、上記コードベクトルと入力ベクトルとの差
が取られて量子化誤差が得られる。この量子化誤差が第
２段のベクトル量子化器１２４によって更に２４ビツト
を使うベクトル量子化処理を受けて、識別コードは第２
の出力コードｃｏｇとして出力端子１２６から出力され
る。この時、上記１ブロツクのベクトル長が８ワードな
ので１ワードのビット長は平均３ビツトとなる。以後図
示しないが、上記出力コードＣｚ、Ｃ１□は、上記ベク
トル量子化器１２２及び１２４のコードブックと同内容
のコードブックに送られ、上記出力コードＣ７Ｃ１□と
対応するコードベクトルのデータが取り出されることに
なる。

ここで、上述のような２段構成のベクトル量子化器でサ
ーチが必要とされるベクトルのコード数は、 ２ｔ＆＋２２４．、．２ｔ５！＝ｉ３．３×ｌ　Ｑｆｆ
・・・・・・・（１）となり、例えば、１段のみのベク
トル量子化器でベクトル量子化処理する場合には演算量
が２．８×ｔｏ”となるのに比べてこの場合の演算量は
格段に減少する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上述のような多段ベクトル量子化の場合、後段
のベクトル量子化器はど、その前段で相関が取り除かれ
ているため、効率が悪くなり（ベクトル量子化する意義
が少なくなる）、ベクトル長を長くとる利点が減少する
。また、多段ベクトル量子化を用いれば、演算量を減少
させることができるが、安価な汎用演算素子を用いて処
理できる演算量まで減少しているとは言えず、更に演算
量を減少させることのできるような量子化が望まれてい
る。

そこで、本発明は、上述のような実情に鑑みて提案され
たものであり、大量のデータをより少ない演算量で性能
を落とさずに処理することができる信号処理装置を提供
することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の信号処理装置は、上述の目的を達成するために
提案されたものであり、第１図に示すように、入力デー
タの複数ワードより成る入力ベクトルを１つのコードベ
クトルに対応させ、このコードベクトルを示す識別コー
ドを出力するベクトル量子化を施す第１段のベクトル量
子化手段であるベクトル量子化器３と、上記ベクトル量
子化器３の上記対応するコードベクトルと上記入力ベク
トルとの差をとって得られる量子化誤差ベクトルＥ（ｌ
を複数ワード毎のサブベクトルに分割し、これらのサブ
ベクトルをそれぞれベクトル量子化する複数のベクトル
量子化器６．〜６．から戒る第２段のベクトル量子化手
段とを有するものである。

〔作用〕

本発明によれば、第２段のベクトル量子化手段は、第１
段のベクトル量子化手段の複数ワードを分割した各サブ
ベクトルを並列的に量子化処理しているため、第２段の
ベクトル量子化手段の各ベクトル量子化器の演算量は少
ない。

〔実施例〕

以下、本発明を適用した実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第１図に実施例の信号処理装置の一概略構成例を示す。

第１図において、入力端子１を介した入力データは第１
段のベクトル量子化器３に供給される。

このベクトル量子化器３は、上記入力データの複数ワー
ド、例えばｎワードより戒る入力ベクトルを１つのコー
ドベクトルに対応させ、このコードブクトルを示す識別
コードを出力するベクトル量子化を施すものである。す
なわち、このベクトル量子化器３には、識別コード（イ
ンデックス）に対応付けられたコードベクトル（代表ベ
クトル）が記録されているメモリのコードブックがあり
、上記入力ベクトルとメモリされているコードベクトル
とが例えば距離計算等により比較され、一番距離の近い
（一番類似している）コードベクトルが見出され、その
コードベクトルと対応する識別コードが読み出されて該
識別コードが出力コードｃｏとして端子１２゜から出力
される。また、上記ベクトル量子化器３から出力される
コードベクトルは加算器４に送られ、該加算器４からは
、上記対応するコードベクトルと上記入力ベクトルとの
差をとって得られる量子化誤差ベクトルＥｑが出力され
る。該量子化誤差ベクトルＥｑのワード数は、入力ヘク
トルと同じワード数ｎである。

この量子化誤差ベクトルＥｑは、第２段のベクトル量子
化手段に供給される。ここで、当該第２段のベクトル量
子化手段は、上記量子化誤差ベクトルＥｑ　（ｎワード
）を複数ワード毎、例えば、ｋｒ、　ｋｔ、・・”ｋｌ
Ｉワード毎（ｎ＝Σｋ、）のサブベクトルにｍ分割し、
これらのｍ個のサブベクトルをそれぞれベクトル量子化
するｍ個のベクトル量子化器６．〜６ｏから成るもので
ある。

すなわち、上記ｎワードの入力ベクトルで例えばｎ＝８
の時の入力ベクトルを（Ｘ　Ｉ＋　Ｘ　２＋・・・Ｘｉ
）とし、この時の量子化誤差ベクトルＥｑを（ΔＸ。

ΔＸＺ＋・・・・ΔＸｓ）とする、ここで、上記量子化
誤差ベクトルＥｑを上記サブベクトルに分割する際の分
割数ｍを例えばｍ＝２とし、分割された各すブベクトル
の各ワード数に＋、ｋｔをに＋＝ｋｚ−４とするとき、
上記ワード数に＋のサブベクトルは（ΔＸ、Δｘ２．Δ
！！＋Δｘｇ）となり、上記ワード数に８のサブベクト
ルは（ΔＸＳ、ΔＸｈ＋ΔＸ？Δｘｓ）となる。

このようにして形成された各サブベクトルが各ベクトル
量子化器６１〜６．に供給され、これらベクトル量子化
器６１〜６１て、それぞれ供給されるサブベクトルの各
々を上述同様にベクトル量子化処理し、各ベクトル量子
化器６１〜６．から得られる識別コードは、それぞれ出
力コードＣ１〜出力コードＣ，として端子ＬＬ−１２，
から出力される。また、各ベクトル量子化器６．〜６゜
から得られるコードベクトルは、それぞれ加算器７、〜
７．に送られ、各加算器７１〜７．で上記量子化誤差ベ
クトルＥ（Ｉと差を取られて量子化誤差ベクトルｅｑ＋
　〜ｅｑ、が得られる。これら量子化誤差ベクトルｅｑ
＋〜ｅｑ、は、合成回路９を介することで連結（台底）
され、ベクトル量子化器１０で１ワード当たり１ビツト
以下の端数ビットとなるビット配分でベクトル量子化が
施され、当該ベクトル量子化器１０からの識別コードが
出力コードＣ１１４１として端子１２．、、から出力さ
れる。

上述した各端子１２．〜１２．。、から出力された出力
コードＣ０〜Ｃａｌ＋　は、伝送路を通り、端子１４．
〜１４．１を介して、上記ベクトル量子化器３及びベク
トル量子化器６．〜６．，１０のそれぞれのコードブッ
クと同内容のコードブック１６゜〜１６□、に送られ、
これらのコードブック１６・〜１６．□で各出力コード
Ｃ０〜Ｃ，。。

と対応するコードベクトルが呼び出されて加算器１Ｂに
送られる。この加算器１８で加算（連結）された後出力
端子２０か転出力される。

すなわち、上述した実施例の装置における各量子化器の
役割として、上記第１段のベクトル量子化器３では、ワ
ード長を短くしてビット長の小さいコードブックを用い
て、少ない演算量で効率的な量子化を行っている。また
、第２段のベクトル量子化手段の各ベクトル量子化器６
Ｉ〜６．では、ワード長は長くして、その代わりに各ベ
クトル長を短くすることで、少ない演算量で効率の良い
量子化を行っており、例えば、音声信号のように高Ｓ／
Ｎが必要な信号を、比較的長いワード長で量子化してい
るため、高Ｓ／Ｎを維持できている。

また、簡単な構成で量子化することができる。上記ベク
トル量子化器１０では、コードブックサイズを２’　　
（ｎは整数）からずらすことで、１ワード当たりｌビッ
ト以下の端数ビットとなるビット配分でベクトル量子化
を行っており、このことから、後述するような時間軸若
しくは周波数軸上の分割ビット割り当てで生ずる端数ピ
ッＩ・に対応することができる。なお、上記各ベクトル
量子化器６１〜６．に小数部をもたせてベクトル量子化
を行わせてもよい。

ところで、信号の高能率符号化の一手法として、入力信
号を時間軸又は周波数軸上で複数のチャンネルに分割す
ると共に、各チャンネル毎のビット数を適応的に割り当
てて符号化するいわゆるビットアロケーション（ビット
割り当て）による符号化技術がある。例えば、上記ビッ
ト割り当てによる符号化技術には、時間軸上の入力信号
を複数の周波数帯域に分割して符号化する帯域分割符号
化（サブ・バンド・コーディング：５ＢＣ）や、時間軸
上の信号を周波数軸上の信号に直交変換して複数の周波
数帯域に分割し各帯域毎で適応的に符号化するいわゆる
適応変換符号化（ＡＴＣ）、或いは、上記ＳＢＣと適応
予測符号化（ＡＰＣ）とを組み合わせ、時間軸上の信号
を帯域分割し各帯域信号をベースバンド（低域）に変換
した後複数次の線形予測分析を行って予測符号化するい
わゆる適応ビット割り当て（ＡＰＣ−ＡＢ）等の符号化
技術がある。

上述したような実施例装置は、これらビット割り当てに
よる符号化を行う装置に適用することができ、第１の適
用例として、上記実施例装置を第２図に示すように例え
ば周波数軸上のビット割り当てを行う装置に適用した例
について説明する。

すなわち、上記実施例装置は、第２図の各帯域の量子化
手段５５１〜５５８の量子化処理部に用いることかでき
る。

この第２図において、例えば音声信号等の人力信号は、
入力端子５１に供給され、フーリエ変換手段５２を介す
ることで離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）処理が威されて
周波数軸に変換され、ＤＦＴ係数が求められる。このよ
うにして得られたＤＦＴ係数は、複数（例えばＮ個）の
周波数帯域に分割され、各帯域の量子化手段５５１〜５
５．によって、各帯域毎に適応的に割り当てられたビッ
ト数に基づいて当該各帯域毎のＤＦＴ係数の量子化が行
われる。すなわち、この各帯域毎のＤＦＴ係数の量子化
を行う量子化処理部に上述した第１の実施例装置を適用
することで上述したような効率の高い量子化処理を行う
ことができる。また、量子化されたＤＦＴ係数はマルチ
プレクサ５７を介して出力端子５８から出力されている
。

ここで、上記量子化手段５５．〜５５％で各帯域毎のＤ
ＦＴ係数に適応的に割り当てられるビット数は、各帯域
毎のエネルギ値に基づいて算出されるものであり、上記
フーリエ変換手段５２からのデータが、エネルギ算出手
段５３に送られて各帯域毎に対応したエネルギ値（平均
パワー）が算出され、この各帯域毎に対応したエネルギ
値に基づいてビット長算出手段５４で求められた割り当
てビット数が各帯域の量子化手段５５．〜５５Ｈに伝送
されている。なお、この時の各帯域毎のエネルギ値と割
り当てビット数の関係は、第２式のようにして求められ
るものである。すなわち、ｂ　（ｋ）−ｂ　＠＋　（１
／２）ｌｏｇｚ（Ｅ　（ｋ）／Ｅｔ）−・−・・・（２
）ここで、ｂ　（ｋ）はに番目の帯域に割り当てられる
ビット数を示し、ｂ、は定数（オフセット値）、Ｅｔは
全帯域のエネルギ値、Ｅ　（ｋ）はに番目の帯域のエネ
ルギ値を示している。

また、上述のようなビット割り当てによる符号化すなわ
ち例えば第２図の装置の各量子化手段５５Ｉ〜５５．と
して用いられる第１図の実施例装置の具体例について説
明する。なお、この具体例においては、上記第２段のベ
クトル量子化手段のベクトル量子化器を２組としている
。この場合の量子化手段５５１〜５５ｕの任意の１個分
となる第１図の装置において、例えば上記第１段のベク
トル量子化器３に８ワード×２ビツトを与え、第２段の
ベクトル量子化手段の各ベクトル量子化器にそれぞれ４
ワード×４ビツトを、ベクトル量子化器１０に８ワード
×１ビツト（１ビツト以下）を与えるとする。この時、
第２図の各帯域毎のビット割り当てによって、第１図の
装置に割り振られる平均ビット長が、例えば６ビツト以
上となるとき、上記ベクトル量子化器３に２ビツトを割
り当て、第２段のベクトル量子化手段に４ビツトを、ベ
クトル量子化器１０に１ビツト以下を割り当てて共に動
作させる。また、上記第１図の装置に割７り当てられる
平均ビット長が例えば３ビツト以上６ビツト未満の時は
、上記ベクトル量子化器３に２ビツトを、第２段のベク
トル量子化手段に１ビツト〜４ビツトを、ベクトル量子
化器１０に１ビツト以下を割り当てるようにする。同様
に、上記第１図の装置に割り当てられる平均ビット長が
例えば２ビツト以上３ビット未満の時、ベクトル量子化
器３に２ビツトを、ベクトル量子化器１０に！ビット以
下を割り当てるようにする。また、上記第１図の装置に
割り当てられる平均ビット長が例えば１ビツト以上２ビ
ット未満の時、ベクトル量子化器３にｌビットを、ベク
トル量子化器１０に１ビツト以下を割り当てるようにす
る。更に、上記第１図の装置に割り当てられる平均ビッ
ト長が例えば１ビツト未満の時、ベクトル量子化器１０
に１ビツト以下を割り当てるようにする。

この時のベクトル量子化処理に使われるコードブックと
しては、上記ベクトル量子化器３では８ワード×２ビツ
ト用と８ワード×１ビツト用の２種類を持つ。また、上
記第２段のベクトル量子化手段の各ベクトル量子化器で
は、４ワード×４ビット用、４ワード×３ビット用、・
・・・・・、４ワード×１ビツト用の４種類を持ち、上
記ベクトル量子化器１０では７ワード×１ビツト、６ワ
ード×１ピント、・・・・・・、■ワード×１ビットの
７種類を持ち、それぞれ（７／８）・０．８７５ビツト
、　（６／８）・０．７５ビツト、　（５／８）＝０．
６２５ビツト、　（４／８）・０．５ビツト、　（３／
８）−０，３７５ビツト、　（２／８）・０．２５　ビ
ット、　（１／８）　＝０１２５　ビットの平均ビット
長に対応したコードブックを持つ。

すなわち、上述のようなビット割り当てによる符号化に
本発明実施例装置を適用することで、効率の高い量子化
処理が行われる。また、１ビット未満の端数ビットまで
有効にビット数を割り当てることができるようになり、
データの圧縮効率を高めることが可能となる。

また、第２図の例のような周波数軸に変換された信号の
ピント割り当てによる符号化の他に、第２の適用例とし
て、例えば前記帯域分割符号化成いは適応ビット割り当
てのように、時間軸上の信号を帯域分割してビット割り
当てを行う符号化装置に適用することも可能である。す
なわち、この場合は、前述の第２図の場合のような周波
数軸に変換された信号の各帯域毎のビット割り当ての代
わりに時間軸上の信号を周波数領域で複数分割し、それ
ぞれ分割された信号のエネルギに見合ったビット数でビ
ット割り当てを行うものである。この場合も前述同様の
理由から、効率の良い量子化が行える。また、時間軸を
複数の時間ブロックに分割して各時間ブロックのエネル
ギに見合ったビット数でビット割り当てを行う装置に適
用することもできる。

上述の第１及び第２の適用例では、分割された各信号の
エネルギに見合ったビット割り当てを行っているが、第
３の適用例として、エネルギ値の代わりに各信号のピー
ク値に基づいてビット割り当てを行うこともできる０例
えば、前述の第２図の装置の場合は、エネルギ値の算出
を行うエネルギ算出手段５３の代わりに各帯域内のピー
ク値を計算するピーク値算出手段を用い、これにより各
帯域毎のピーク値に基づいてビット割り当てを行う構成
とすることになる。この第３の適用例の場合も、前述同
様に効率的なビット割り当てが行える。

その他、第４の適用例として、第２図の離散的フーリエ
変換手段５２を例えばＱ　Ｍ　Ｆ　（ｇｕａｄｒａｔｕ
−ｒｅ■１ｒｒｏｒ　ｆｉｌｔｅｒ）等でフィルタバン
ク化した構成とすることもできる。上記ＱＭＦを用いた
場合、処理が簡単でかつ折り返し歪みが消える長所があ
る。

〔発明の効果〕

本発明の信号処理装置においては、第１段のベクトル量
子化手段で入力データをベクトル量子化し、第２段のベ
クトル量子化手段で第１段のベクトル量子化手段からの
量子化誤差ベクトルを複数ワードずつ区切ったサブベク
トルをそれぞれベクトル量子化しているため、第２段の
ベクトル量子化手段の各ベクトル量子化器では少ない演
算量で効率の良い量子化処理を行うことができる。この
ようなことから、簡単な構成で大量のデータをより少な
い演算量で処理することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の信号処理装置の概略構成を
示すブロック回路図、第２図は実施例装置の第１の適用
例装置の概略構成を示すブロック回路図、第３図はベク
トル量子化を説明するための図、第４図は多段ベクトル
量子化を行う装置の概略構成を示すブロック回路図であ
る。 ３．６１〜６．．１０・・・・ベクトル量子化器４．７
．〜７．．１８・・・・加算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　入力データの複数ワードより成る入力ベクトルを１つ
   のコードベクトルに対応させ、このコードベクトルを示
   す識別コードを出力するベクトル量子化を施す第１段の
   ベクトル量子化手段と、上記第１段のベクトル量子化手
   段の上記対応するコードベクトルと上記入力ベクトルと
   の差をとって得られる量子化誤差ベクトルを複数ワード
   毎のサブベクトルに分割し、これらのサブベクトルをそ
   れぞれベクトル量子化する複数のベクトル量子化器から
   成る第２段のベクトル量子化手段とを有することを特徴
   とする信号処理装置。