JPH0371817B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜発明の背景＞ この発明は音声信号のように相関性の強い信号
の高能率符号化に用いられる差分符号化装置、特
に差分符号化で用いる予測器の予測係数を適応的
に変えて符号化を行なう適応予測形差分符号化装
置に関するものである。

音声信号のように相関の強い信号においてはあ
る時刻の信号の標本値を過去の標本値を用いてか
なりうまく予測することができるため、予測誤差
信号電力は入力信号電力に比べてかなり小さくな
る。差分符号化方法はこのような性質を用いて、
予測誤差信号だけを比較的少数のビツト数で符号
化することによつて高能率な符号化を実現するも
のである。この差分符号化における予測は、予測
フイルタによつてなされる。予測フイルタの特性
は入力信号の平均的なスペクトル、例えば音声信
号を符号化する際には平均的な音声のスペクトル
にあわせておけば、比較的正確な予測値を得るこ
とができる。しかし、より正確な予測値を得る方
法としては、信号に応じて予測フイルタの特性を
変える方法、具体的に言えば予測フイルタの係数
を予測誤差が最小となるように適宜修正しながら
符号化を行なうところの、いわゆる適応予測形差
分符号化方法がある。この方法を用いれば予測フ
イルタの係数を固定とした場合よりも、より正確
な予測がなされ、その結果、予測誤差信号を一層
小さくできるために更に高能率な符号化が可能と
なる。

以上述べたように差分符号化における予測を適
応形とすれば、固定形予測を用いたときよりもよ
り高能率な符号化を実現できるが、予測フイルタ
係数を常に変化させるようにする結果、固定形予
測を用いるときには生じない予測フイルタの安定
性の問題が生じてしまう。すなわち、適応形予測
フイルタの係数を修正した際にたまたまその係数
が予測フイルタが発振をおこすような値となる
と、予測フイルタの発振により入力信号とは無関
係な予測値が出力されることになり、正常な予測
ができなくなつてしまう。また別の場合には予測
フイルタを帰還ループに含む符号器自体が一つの
再帰形フイルタを構成して発振してしまうことも
ある。このような不安定状態を生じないようにす
るためには予測フイルタの係数が予測フイルタや
符号器を不安定とする係数にならないように制御
しながら予測係数を修正すればよいが、これを行
なうためには不安定状態を生じる予測係数を予め
全て知つておく必要がある。この不安定状態を生
じる予測係数は、予測フイルタの次数が低いとき
には比較的簡単に求められるが、この場合は少な
く、次数が高い場合が多く、次数が高くなると組
合せ数が増加しその発見が著しく難しくなると共
に、係数の修正アルゴリズムも複雑となつてしま
う。更に予測誤差信号の量子化を行なう量子化器
で生じる非線形性の影響をも加味して考えると、
前述のような符号器自体の不安定状態を生じる予
測係数を求めることは不可能に近いといつてもよ
い。

＜発明の概要＞ この発明は以上のような適応予測形差分符号化
における不安定性の問題に鑑み、比較的簡単でか
つ効果的な不安定防止機能を具備した適応形差分
符号化方法及び装置を提供することを目的とする
ものである。

この発明の一実施例によれば、符号化すべきデ
イジタル入力信号とその入力信号に対する予測値
との差を量子化し、該量子化された信号を出力す
るとともに、前記量子化された差信号を逆量子化
し、適応予測により前記入力信号に対する予測値
を得る適応予測形差分符号化方法において、前記
予測値として得られる信号を前記入力信号から減
ずることにより得られる差信号のレベルを監視す
ることにより、前記適応予測動作が正常であるか
否かを判定し、異常であると判定したときにのみ
前記適応予測に用いられる予測係数をリセツトす
ることにより適応予測動作が正常となるようにす
る。

またこの発明の他の実施例によれば、符号化す
べきデイジタル入力信号から予測値を減算する減
算器と、前記減算器から出力される差信号を量子
化する量子化器と、該量子化器の出力を入力とし
逆量子化を行なう逆量子化器と、その逆量子化器
から出力される再生差信号と前記予測値とを入力
とする加算器から出力される局部復号信号又は前
記再生差信号を入力として前記予測値と出力する
と共に、前記逆量子化器の入力あるいは出力によ
り予測フイルタ係数が修正される適応予測器と、
前記入力信号から前記予測した差信号を入力とし
てその差信号のレベルを検出するレベル検出器
と、そのレベル検出器から出力される前記差信号
のレベル情報により、前記適応予測器の動作が正
常であるか否かを判定し、異常と判定したときに
のみ前記適応予測器の予測係数および必要に応じ
て前記レベル検出器のレベル情報をリセツトする
制御信号を出力して前記適応予測器の動作を正常
状態に戻す判定回路とを設ける。

更にこの発明の他の実施例によれば、符号化す
べきデイジタル入力信号とその入力信号に対する
予測値との差を量子化し、その量子化された信号
を出力すると共に前記量子化された差信号を逆量
子化し適応予測により前記入力信号に対する予測
値を得る適応予測形差分符号化方法において、前
記予測値を前記入力信号から減ずることにより得
られる差信号のレベルと前記入力信号のレベルを
監視することにより前記適応予測動作が正常であ
るか否かを判定し、異常であると判定したときの
み前記適応予測に用いられる予測係数をリセツト
することにより適応予測動作が安定となるように
する。

この発明の更に他の実施例によれば、符号化す
できデイジタル入力信号から予測値を減算する減
算器と、その減算器から出力される差信号を量子
化する量子化器と、その量子化器の出力を入力と
し逆量子化を行なう逆量子化器と、その逆量子化
器から出力される再生差信号と前記予測値とを入
力とする加算回路から出力される局部復号信号又
は前記再生差信号を入力として前記予測値を出力
すると共に前記逆量子化器の入力あるいは出力に
より予測フイルタ係数が修正される適応予測器
と、前記入力信号を入力としてその入力信号のレ
ベルを検出する第１のレベル検出器と、前記入力
信号から前記予測値を減算した差信号を入力とし
てその差信号のレベルを検出する第２のレベル検
出器と、前記第１のレベル検出器と前記第２のレ
ベル検出器から出力される各信号レベル情報によ
り、前記適応予測器の動作が正常であるか否かを
判定し、異常と判定したときにのみ前記適応予測
器の予測係数および必要に応じて前記の第１のレ
ベル検出器と第２のレベル検出器のレベル情報を
リセツトする制御信号を出力して前記適応予測器
の動作を正常状態に戻す判定回路とを設ける。

＜従来技術＞ この発明を詳しく説明する前に、従来の適応予
測形差分符号化装置について図面を用いて説明す
る。第１図は従来の適応予測形差分符号化装置を
示す。入力端子１０を介して入力されるｊ時刻の
デイジタル入力信号Xj及び信号線１３１を介し
て適応フイルタ１３０から出力される予測値x〓jは
減算器１１０に入力される。減算器１１０から信
号線１１１を介して出力される予測誤差信号ejは
量子化器１２０により１ビツト以上で符号化さ
れ、その符号化結果Ujが信号線１２１を介して
逆量子化器１４０へ入力されると共に出力端子１
６０を介して出力される。逆量子化器１４０では
入力された符号化結果Ujに逆量子化を行ない、
再生誤差信号e^jを信号線１４１を介して出力す
る。この再生誤差信号e^jには量子化によつて生じ
る量子化雑音が含まれるため、一般にejとは一致
しない。

再生差信号e^jと予測信号x〓jは加算器１５０によ
り加算され、局部復号信号X^jが信号線１５１を
介して出力される。この局部復号信号X^jは適応
フイルタ１３０に入力され、適応フイルタリング
が施された後、信号線１３１を介して予測値x〓jが
出力される。適応フイルタ１３０のフイルタ係数
は逆量子化器１４０から出力される再生誤差信号
e^jと局部復号信号X^jを用いて修正される。代表的
な修正アルゴリズムとして次の２つがある。

A^j+1 _i＝A^j _i＋ｇ・e^j・X^j−ｉ／_o 〓ⁱ⁼¹ （X^j−ｉ）² (1) A^j+1 _i＝A^j _i＋ｇ・e^j・Sign（X^j−ｉ）／_o 〓ⁱ⁼¹ ｜Xj−
ｉ｜ (2) こゝでA^j _iはｊ時刻における適応フイルタ１３
０の第ｉ番目のフイルタ係数である。ｇは修正ゲ
インであり、sign（X^j）はX^jが正のときは＋１、
負のときは−１の値をとる。また簡易形の修正ア
ルゴリズムとして次式を用いてもよい。

A^j+1 _i＝A^j _i＋g¹・（e^j／△）・Sign（X^j−ｉ） (3) こゝで△は予測誤差信号の実効値に近い正規化
係数である。(1)，(2)，(3)式のアルゴリズムはいず
れもｊ時刻におけるフイルタ係数A^j _iに右辺第２
項の修正項を加えて新たにｊ＋１時刻のフイルタ
係数を得るものである。この構成では再生誤差信
号e^jから予測値x〓jが得られるまでの経路は１つの
再帰形適応フイルタを形成しているため上述のよ
うにフイルタ係数を修正した際に、たまたま新し
いフイルタ係数が前述の再帰形適応フイルタが発
振する係数になつてしまつたり、符号化装置の電
源投入時のフイルタ係数が発振をおこす値になつ
ていたりすると、予測値x〓jは入力信号とは無関係
な発振信号となつてしまい、正常な予測が行なわ
れなくなり、高品質な符号化ができなくなつてし
まう。

第２図は従来の適応予測形差分符号器の別の例
である。基本的な動作は第１図で説明したものと
同様であるので省略するが、異なる点は適応フイ
ルタ２３０への入力が再生誤差信号e^jであること
である。このような構成にすると再生誤差信号e^j
から予測値x〓jまでの経過は非再帰形適応フイルタ
となり、第１図で説明したような発振は生じない
が、符号器自体が１つの再帰形フイルタを構成す
るため、やはり予測係数の値によつて符号器自体
が不安定となる場合が生じてしまう。

第３図は従来の適応予測形差分符号器のさらに
別の例である。この構成は第１図と第２図とで示
した符号器を組み合わせたものになつている。即
ち、予測値x〓jは、信号線１４１を介して得られる
再生誤差信号e^jを入力とする第１の適応フイルタ
２３０から出力される第１の予測値x〓j₁と、信号
線１５１を介して得られる局部復号信号X^jを入
力とする第２のフイルタ３５０から出力される第
２の予測値x〓j₂との加算により求められる。この
場合にも前述したように予測係数の値によつては
予測フイルタが発振したり、符号器自体が不安定
となつてしまう。

以上、従来の適応予測形差分符号化装置の代表
的な３つの例について説明したが、いずれの場合
でも適応フイルタの係数の値によつては不安定状
態を生じ、適応予測動作がうまく行なわれなくな
るという欠点を持つている。この欠点を取り除く
ための１つの方法には予測係数を監視して不安定
状態を生じるような係数にならないように係数値
に制限を設ける方法が考えられるが、予測フイル
タの次数が増したり、量子化器１２０のもつ非線
形性が加わつた場合には不安定状態をひきおこす
予測係数の値を求めるのが非常に困難となり、こ
のような方法を用いるのは得策ではない。

この発明では適応予測形差分符号器が正常に動
作しているときは入力信号と予測値とがほゞ等し
くなるが、予測フイルタが発振したりして符号器
が不安定となると入力信号と予測値が大きく異な
ることに着目し、入力信号と予測値x〓jとの差を求
め、この差信号のレベルがあるしきい値よりも大
きくなり、明らかに符号器が不安定となつたと判
断できるときには予測係数を符号器が安定となる
ような値にリセツトすることにより符号器を安定
状態に復帰させるものである。

＜第１実施例＞ この発明を図面を用いて更に詳細に説明する。
第４図はこの発明の１つの実施例を示す。図中破
線で囲つた部分４００は第１図で示した適応予測
形差分符号器と同じ構成であり、その動作もほゞ
同じであるため説明を省略する。減算器４７０に
は信号線４０１と信号線１３１を介して入力信号
xjと予測信号x〓jがそれぞれ入力され、その差は信
号線４８１を介して判定回路４９０に入力され
る。通常、適応予測差分符号化が正常に行なわれ
ているときには入力信号xjと予測信号x〓jとは非常
に近い値となる。しかし前述したように適応フイ
ルタ１３０の係数が修正された結果、適応フイル
タ１３０が発振したりして符号器が不安定となる
と、入力信号xjと予測信号x〓jとは大きく異なつた
値となつてしまう。従つて信号線４７１を介して
出力される差信号レベルを監視することによつて
符号器が安定か、不安定かを判定することが可能
である。この判定機能を果すのが判定回路４９０
である。即ち、判定回路４９０では信号線４７１
を介して入力される差信号レベルがあるしきい値
をこえたときには符号器が不安定となつたと判定
し、信号線４９１を介して適応フイルタ１３０の
フイルタ係数を符号器を安定とする値にリセツト
すると共にレベル検出器４８０の出力を零にリセ
ツトするための制御信号を信号線４９１を介して
出力し、符号器を安定状態に復帰させる。

この実施例では図中に破線で囲んだ部分４００
に第１図で示した符号器を用いたが、これだけに
限らず、例えば第２図、第３図で示したものを用
いることもできる。即ち、従来形の適応予測形差
分符号器における入力信号xjを信号線４０１を介
して入力し、予測信号x〓jを信号線１３１を介して
入力すると共に、判定回路４９０から信号線４９
１を介して出力されるリセツト信号を適応フイル
タに与えてやりさえすれば、簡単に符号器を不安
定状態から安定状態に回復させることができる。

＜第２実施例＞ 第５図はこの発明の他の実施例を示す。図中破
線で囲つた部分４００は第１図で示した適応予測
形差分符号器と同じ構成であり、その動作もほゞ
同じであるため説明を省略する。減算器４７０に
は信号線４０１と信号線１３１とをそれぞれ介し
て入力信号xjと予測信号x〓jとが入力され、その差
信号は信号線４７１を介してレベル検出器４８０
に入力される。第４図に示した実施例で説明した
ようにレベル検出器４８０から出力される差信号
レベルに基づいて、符号器の安定、不安定を判定
することができるが、入力信号xjのダイナミツク
レンジが広いときには符号器が安定であつても入
力信号レベルが高くなつたり、周波数が高くなつ
たりするとそれにつれて信号線４７１を介して得
られる差信号のレベルも高くなるため、この原因
でこの差信号レベルが、符号器が不安定であると
判定される値にまで高くなることがあると、符号
器の安定、不安定が正しく判定できなくなる。

そこで、符号器の安定、不安定を判定するため
の要素として入力信号xjと予測信号x〓jとの差だけ
ではなく、入力信号xjの信号レベルをも用いるよ
うにしたことがこの第２実施例の特長である。即
ち、入力信号xjのレベルをレベル検出器５８０で
検出して信号線５８１を通じて判定回路４９０へ
入力させ、入力信号xjのレベルがある程度低いに
も拘らず、入力信号xjと予測信号x〓jとの差信号レ
ベルが大きい場合にのみ符号器が不安定であると
判定して判定回路４９０から適応フイルタ１３０
のフイルタ係数をリセツトすると共にレベル検出
器４８０とレベル検出器５８０のそれぞれの出力
をもリセツトする制御信号が信号線４９１を介し
て出力される。

このようにすると、入力信号レベルが大きいと
きには符号器が不安定となつても判定回路４９０
からは前述のリセツト信号が出力されずに符号器
が不安定のままになつてしまうが、入力信号xjが
音声信号のようなときには約0.5秒程度ごとに無
音区間が生じるため、その時点で入力信号レベル
が下がり、符号器の安定、不安定を判定すること
ができるため、たとえ入力信号レベルが高いとき
に符号器が不安定となつても短時間の後に安定状
態に回復させることができる。またこゝでは入力
信号xjと予測信号x〓jとの差信号レベルに対して１
つのしきい値を設けるようにしたが、このしきい
値を入力信号xjのレベルに応じて変えることもで
きる。即ち、入力信号レベルが高くなるにつれて
このしきい値も高くしてわれば符号器の入力レベ
ルにかかわらずに符号器の不安定状態を検出して
すみやかに安定状態に回復させることができる。
更にこの実施例では第５図の中で破線で囲つた部
分４００に第１図で示した符号器を用いたがこれ
だけに限らず、例えば第２図、第３図で示したも
のを用いることもできる。即ち、従来形の適応予
測形差分符号器における入力信号xjを信号線４０
１を介して入力し、予測信号x〓jを信号線１３１を
介して入力すると共に判定回路４９０から信号線
４９１を介して出力されるリセツト信号を適応フ
イルタに与えてやりさえすればよい。

以上説明したようにこの発明は従来の適応予測
形差分符号化装置で生じていた予測フイルタの発
振や符号器自体の不安定動作を簡単な方法で検出
し、自動的に安定状態へ回復させる機能を具備し
た適応予測形差分符号化装置を提供するものであ
り、極めて有用なものである。

なお前述した各種処理は電子計算機によつて行
つてもよい。また減算回路４７０により入力信号
と予測値との差を得てレベル検出器４８０へ供給
したが、減算回路４７０を設けることなく減算器
１１０の出力ejをレベル検出器４８０へ供給して
もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図はそれぞれ従来の適
応予測形差分符号化装置を示すブロツク図、第４
図及び第５図はそれぞれこの発明の実施例を示す
ブロツク図である。 １００：入力端子、１１０，４７０：減算器、
１２０：量子化器、１３０，２３０：適応フイル
タ、１４０：逆量子化器、１５０：加算器、１６
０：出力端子、３５０：フイルタ、４００：従来
の適応予測形差分符号化器、４８０，５８０：レ
ベル検出器、４９０：判定回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 符号化すべきデイジタル入力信号とその入力
   信号に対する予測値との差を量子化し、その量子
   化された信号を出力するとともに、前記量子化さ
   れた差信号を逆量子化し、適応予測により前記入
   力信号に対する予測値を得る適応予測形差分符号
   化方法において、前記入力信号から前記予測値を
   減ずることにより得られる誤差信号のレベルを監
   視することにより前記適応予測動作が正常である
   か否かを判定し、異常であると判定したときにの
   み前記適応予測に用いられる予測係数をリセツト
   することにより適応予測動作が正常となるように
   することを特徴とする適応予測形差分符号化方
   法。 ２ 符号化すべきデイジタル入力信号から予測値
   を減算する減算器と、その減算器から出力される
   差信号を量子化する量子化器と、その量子化器の
   出力を入力とし逆量子化を行なう逆量子化器と、
   その逆量子化器から出力される再生差信号と前記
   予測値とを入力とする加算器から出力される局部
   復号信号又は前記再生差信号を入力として前記予
   測値を出力すると共に、前記逆量子化器の入力あ
   るいは出力により予測フイルタ係数が修正される
   適応予測器と、前記入力信号と前記予測値との差
   信号を入力としてその差信号のレベルを検出する
   レベル検出器と、そのレベル検出器から出力され
   る前記差信号のレベル情報により、前記適応予測
   器の動作が正常であるか否かを判定し、異常と判
   定したときにのみ前記適応予測器の予測係数をリ
   セツトする制御信号を出力して前記適応予測器の
   動作を正常状態に戻す判定回路とを設けたことを
   特徴とする適応予測形差分符号化装置。 ３ 符号化すべきデイジタル入力信号とその入力
   信号に対する予測値との差を量子化し、その量子
   化された信号を出力すると共に、前記量子化され
   た差信号を逆量子化し適応予測により前記入力信
   号に対する予測値を得る適応予測形差分符号化方
   法において、前記予測値を前記入力信号から減ず
   ることにより得られる誤差信号のレベルと前記入
   力信号のレベルを監視することにより前記適応予
   測動作が正常であるか否かを判定し、異常である
   と判定したときのみ前記適応予測に用いられる予
   測係数をリセツトすることにより適応予測動作が
   安定となるようにすることを特徴とする適応予測
   形差分符号化方法。 ４ 符号化すべきデイジタル入力信号から予測値
   を減算する減算器と、その減算器から出力される
   差信号を量子化する量子化器と、その量子化器の
   出力を入力とし逆量子化を行なう逆量子化器と、
   その逆量子化器から出力される再生差信号と前記
   予測値とを入力とする加算回路から出力される局
   部復号信号又は前記再生差信号を入力として前記
   予測値を出力すると共に、前記逆量子化器の入力
   あるいは出力により予測フイルタ係数が修正され
   る適応予測器と、前記入力信号を入力としてその
   入力信号のレベルを検出する第１のレベル検出器
   と、前記入力信号から前記予測値を減算した差信
   号を入力としてその差信号のレベルを検出する第
   ２のレベル検出器と、前記第１のレベル検出器及
   び前記第２のレベル検出器から出力される各信号
   レベル情報により、前記適応予測器の動作が正常
   であるか否かを判定し、異常と判定したときにの
   み前記適応予測器の予測係数をリセツトする制御
   信号を出力して前記適応予測器の動作を正常状態
   に戻す判定回路とを設けたことを特徴とする適応
   予測形差分符号化装置。