JPH0523653B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はアナログ信号をデジタル信号に変換
し、デジタル的に伝送し、再びアナログ信号に変
換するようにしたオーデイオ信号の伝送方法に関
する。

従来技術 オーデイオ信号の伝送の際、例えばラジオ放
送、有線放送、サテライト区間、記録機器での伝
送の際、アナログオーデイオ信号を所定の分解能
（各サンプリング値ごとのビツト）でデジタルオ
ーデイオ信号に変換し、この形態で伝送し、再生
の際再びアナログ信号に変換することが公知であ
る。デジタル伝送により、殊に、再生の際比較的
に大きなＳ／Ｎ比が達成される。

このような信号の伝送に必要な帯域幅は実質的
に単位時間ごとの被伝送サンプリング値の数と、
分解能（サンプリング値あたりのビツト）とによ
つて定まる。

実際には狭帯域のチヤネルで済ませられ又は既
存のチヤネルを介してできるだけ多くのオーデイ
オ信号を同時に伝送できるためには伝送に必要な
帯域をできるだけ小にする必要がある。所要の帯
域幅を、サンプリング値の減少により、又はサン
プリング値ごとのビツト数の減少によりそれ自体
低減できることはできるが、このような手段によ
り、概して、再生の際品質低下が惹起される。

発明の目的 本発明の課題とするところは再生の際品質に余
り影響を及ぼさずに、各サンプリング値あたりわ
ずかな平均ビツトレートで事足りるデジタルオー
デイオ信号の伝送方法を提供することにある。

発明の構成 上記課題は請求範囲１，３に記載の構成要件に
より解決される。本発明の各実施例を従属請求項
に記載してある。

本発明は次の認識及び考察に基いている。すな
わちアナログ信号の個々のサンプリング値を順次
表わす、時間領域におけるデジタル信号が時間的
に順次連結する間隔ないし区間にて短時間−スペ
クトルに変換される。その際そのスペクトルは
夫々短時間、例えば20mSの間信号のスペクトル
成分を成す。短時間スペクトル中ではサイコアク
ステイツク（心理音響的）認識に基づき、一般
に、聴き手には聴取されない成分、つまり通信技
術的に不適切な成分は、時間領域内におけるより
も良好に見出され得る。従つて、この種成分は本
発明によれば伝送の際比較的わずかに重み付けさ
れるか又は全く除去される。このような手段によ
り、それ自体必要なビツトの相当な部分を省くこ
とができ、その結果所定の数のサンプリング値の
平均ビツトレートが著しく減少される。

スペクトルのこの種不適切な成分はスペクトル
中で明白な最大振幅に対して相対的に所定の振幅
を越えない成分である。斯様な成分は有利に伝送
の際再生品質を損なわずに除去できる。この種成
分はサイコアクステイツク法則性に基づき所謂マ
スキング効果により聴き手には感知されない。こ
の種マスキング効果には各成分間の時間位置ない
し相互間の周波数−振幅位置が決め手となる。

マスキング効果には所定の時定数が決め手であ
るので、信号は時間窓（ウインドウ）により
20mSのオーダの持続時間を有する時間的に順次
連続するブロツクに分けられる、それというのは
そのような期間内ではマスキング閾値又は可聴取
（クロストーク）閾値が大して低下しないからで
ある。その際この種ブロツクの各信号は短時間ス
ペクトルに変換され、コード化の際不適切な成分
についてしらべられる。

聴覚は周波数帯域として見れば所謂、マスキン
グ効果の際重要な役割をする群を形成する。周波
数群への分割、及びマスキングは既知であり、
Ｅ、ツヴイツケル、“プシヒヨアステイク”スプ
リンガー社、ベルリン、ハイデルベルク、ニユー
ヨーク1982年第46頁以降に記載されている。これ
ら周波数群の各々はコード化の際個別に評価され
不適切な成分についてしらべられる。その際周波
数分解能は著しく精細で、ほぼ100Hzの幅を有す
る最狭幅の周波数群が捕捉検出される程のもので
ある。時間領域から周波数領域への変換のため有
利にフーリエ変換、例えば所謂高速フーリエ変換
が適用される。

実施例 本発明の手段の利点及び他の構成例を以下図示
の実施例を用いて説明する。

第１図にはアナログ信号ａ(t)（これは例えば通
話又は音楽のようなアナログ信号を成す）はＡ−
Ｄ変換器１にて相応のデジタルオーデイオ信号に
変換される。第２ステツプにおいて時間的に順次
連続する重なり合う時間窓によつて当該信号の所
謂ウインドウ化が行なわれる。その場合信号は
夫々20mSの持続時間を有する時間的に順次連続
するブロツクに分けられ、その際１つのブロツク
の信号はそれだけで別個にさらに後続処理され得
るように分けられる。第３ステツプにおいて、信
号の前処理が行なわれ、それの意味については後
述する。第４ステツプでは１つの時間窓又は１つ
のブロツクの各デジタル信号が変換により周波数
スペクトルに変換される。要するに第４ステツプ
の出力側には時間的に順次連続するブロツク期間
中そのつど次のような信号が現われる。即ち１つ
の時間窓又はブロツクの持続時間中周波数帯域全
体に亘つての信号の各スペクトル成分を成す信号
が現われる。要するに第４ステツプによつては時
間領域における信号の、周波数領域におけるスペ
クトルを成す信号への変換が行なわれる。

第４ステツプからの信号はコーダ５へ達する。
ここではサイコアクステイツク（心理音響的）な
観点からのコード化が行なわれる。つまり、再生
の際、殊にマスキング効果に基づきいずれにしろ
感知されないスペクトル成分はコード化の際比較
的にわずかに重み付けされるか又は省略（除去）
されるのである。スペクトルのこの種の短時間処
理は例えばコンピユータを用いて行なわれ得る。

このようにしてコード化された信号は送信器Ｃ
を介して通信チヤネル７に達する。平均ビツトレ
ートの低減を達成することにより、上記の通信チ
ヤネルを相応に狭帯域に選定、設計できる。通信
チヤネル７につづいて受信器８が設けられてお
り、この受信器は実質的に送信器と逆の機能を行
なう。受信器８からの信号は先ずデコーダ９へ達
しこのデコーダによつてコーダ５に相応してデコ
ーデイングが行なわれる。第10ステツプではその
ようにして形成された、スペクトルを表わす周波
数領域における信号が、再び時間領域におけるデ
ジタル信号に変換される。第11ステツプ（適応
化）では信号は再び１つのまとまつた（統合的）
連続的なデジタル信号に合成され第３ステツプの
前処理が考慮される。次いで信号はＤ−Ａ変換器
１２に供給される。この変換器１２は再びアナロ
グ信号ｂ(t)を送出する。この信号は信号ａ(t)と同
一ではない。それというのはコーダ５において、
コード化の際スペクトル成分が異なつた重み付け
をされているか又は抑圧されているからである。
アナログ信号ａ(t)とｂ(t)との相違は再生の際聴き
手により感知されない程のものである。信号中で
はたんに不適切な要素すなわち聴き手には聴こえ
ない情報が取除かれて、通信チヤネル７を介して
の伝送の際の必要なビツトレートが減少され、殊
に決定成分が低減されるのである。

第２図Ａ−Ｃは第２ステツプにおける信号のウ
インドウ化を示す。信号ａ(t)はt₁〜t₇の振幅特性
カーブWAにより１つの時間窓を以つて評価され
る。すなわち信号ａ(t)の信号値は第２図Ｂの特性
カーブWAと乗算される。t₁−t₂の特性カーブ部
分は1/4周期に亘つてサイン状の経過を有し、t₆
−t₇の特性カーブ部分はコサイン状の経過を有
し、t₂−t₆は一定値を有する。t₁−t₂、t₆−t₇の連
続的経過が必要であるのはそのように時間的に順
次連続する各ブロツクの分割の際零と有限値との
間で跳躍的変化があると、フーリエ変換の際著し
く幅広いスペクトルが生ぜしめられることとなる
からである。信号ａ(t)の、特性カーブWAとの乗
算により第２図Ｃの信号Ａが形成され、この信号
Ａは従つて期間t₁−t₂、t₆−t₇にて振幅がひずま
されている。このようなウインドウ化、すなわち
時間選択的評価（これは第１図中第２ステツプに
て行なわれる）を第２図Ａ−Ｃにてアナログ信号
を用いて示す。実際には信号ａ(t)及びWAはデジ
タル信号であり、その結果t₁−t₇のうちそのつど
デジタル信号値は相互に乗算される。

時間窓t₁−t₇の信号、即ち１つのブロツクの各
信号は第１図に示すように第４ステツプにて短時
間−スペクトルに変換される。第２図Ｄは周波数
ｆに対する振幅の経過を示し第２図Ｅはその種信
号の場合の周波数ｆに対する位相の経過を示す。
受信器側では第２図Ａ−Ｅに示す経過が逆の順序
で行なわれる。振幅と位相がデジタル信号として
受信され、逆高速フーリエ及びＤ−Ａ変換を用い
てアナログ信号ｂ(t)に変換される。

第３図は送信側及び受信側における順次連続す
る時間窓に対する振幅−特性カーブを示す。第２
ステツプにおける送信側での時間窓は第３図Ａの
経過WA（Ａ＝分析）を有し、t₁−t₂，t₆−t₇は２
つの時間窓が作用する重なり合い期間である。時
間窓は1024のサンプリング値に亘つており、その
際重なり合いはほぼ64のサンプリング値に及ぶ、
すなわち時間窓の持続時間の6.25％に及ぶ。第３
図Ａに示す振幅−特性カーブは同様に受信側にも
当嵌まり、第11ステツプにて実現される（WS＝
ウインドウ合成）。時間ｔ２−ｔ６にて信号は信
号振幅に影響を受けずにすなわち係数１で、第１
図に示す経路を辿る。重なり期間ｔ１−ｔ２中の
サンプリング値は先ず第２ステツプにてサイン波
と乗算される。第11ステツプにて受信側にて同じ
カーブが作用するので、このサンプリング値は全
体がsin²(x)で乗算されることになれば当該サンプ
リング値の振幅の減衰が係数sin²(x)で生じること
となる。ところが時間ｔ１−ｔ２にて付加的に、
先行時間窓の立下りのコサイン状側縁が作用しそ
の結果同じサンプリング値が全体的にコサイン状
側縁によりcos²(x)で乗算される。従つて上記両信
号の直線的重畳及び数学的関係sin²(x)＋cos²(x)＝
１に基づき、重なり合い期間中でも一定の振幅係
数１が得られる。このことは第３図Ｂにて期間t₁
−t₂，t₆−t₇にて上側の水平線分によつて示され
ている。要するに信号全体に対して常時振幅−伝
送値１が得られ、よつて信号振幅の誤りないしひ
ずみが生じないようになる。

第４図は第１図の第４ステツプの出力側にて現
われるような短時間−周波数スペクトルの各スペ
クトル線の振幅経過を表わす。短時間スペクトル
ｆ１−ｆ５の周波数帯域全体は多数の周波数群ｆ
１−ｆ２，ｆ２−ｆ４，ｆ４−ｆ１２，ｆ１２−
ｆ１４に分けられている。個々の周波数群におい
てスペクトル線が、サイコアクステイツクな観点
からしらべられ重み付けされる。ただ、主な振幅
値のみが伝送され、不適切な振幅値は比較的に小
さく重み付けされるか又は抑圧されるのである。
周波数帯域全体の絶対的最大値１５は先ず12−16
ビツトを有する絶対値として伝送される。その他
の（残りの）周波数群の最大値１４，１６，１
７，１８は８ビツトの精度で伝送され、しかも絶
対的最大値１５に対する相対的位置関係で伝送さ
れる。周波数群ｆ４−ｆ１２のその他の値２０−
２６は最大値１６に関係づけられる、即ち最大値
１６との偏差が伝送される。このために振幅領域
は最大値１６から出発して夫々10dBを有する３
つの領域Ａ１〜Ａ３と、残りの領域Ａ４とに分け
られている。夫々振幅領域内にある信号値１６，
２０，２１ないし２２，２３ないし２４ないし２
５，２６は統合的な値として伝送される。要する
に値１６，２０，２１ないし２２，２３ないし２
５，２６間では区別せられない。最大値１６より
30dB下つた値を下回る周波数ｆ１０，ｆ１１の
もとでの振幅値２５，２６は零にセツトされる。
値２５，２６の位相は伝送されない。これらのス
ペクトル成分は値１６に対しての位置関係と、そ
のわずかな振幅によりマスキング効果が働いてい
ずれにしろもはや感知されないこととなる。実際
上周波数帯域全体ｆ１−ｆ１５は26の周波数群に
分けられ、そのうち第４図には簡単のため５のみ
を示してある。振幅領域Ａ１〜Ａ４への分割によ
り最大値１６に対して相対的に表わされる振幅値
２０−２６の伝送には全部で２ビツトで十分であ
る。領域Ａ１〜Ａ３内にある各伝送振幅値に対し
て所属の位相値のため２ビツトが伝送される。

２ビツトを以つての振幅値及び位相値の粗い量
子化により伝送に必要なデータ量の所要の低減が
行なわれる。或成分の省略（除去）、即ち周波数
群ｆ４−ｆ１２における振幅値２５，２６に対す
る位相値の省略、除去により、伝送の際付加的に
ビツトが節減される。これらの空き（自由）にな
つたビツトは領域Ａ１−Ａ３にて一層精細な振幅
分割のために用いられ得る。このために例えば各
領域Ａ１−Ａ３は各5dBの２つの領域に分けられ
る。その際各周波数値２０−２４には１つのビツ
トが割当られこのビツトは振幅値例えば２０，２
１が最初の最大値１６より最初に5dB下回つたと
ころにあるのか、さらにそれより5dB下回つたと
ころにあるのかを指示する。このビツトの割当て
は表28に基づいて行なわれ、この表は送信側で作
成され受信側で再生可能である。このために第４
図の周波数スペクトルの経過全体に亘つて6dBの
段階での分割を有するラスタ２７が設定（セツテ
イング）される。要するに振幅値２０−２４はこ
のラスタに割当てられる。表28は各振幅値２０−
２４に最大値１６に対しての１つの所定の位置を
割当てる。表28は最も低い周波数値から始まり、
行を用いて、夫々相応の周波数領域の最大値に対
する位置を指示する。

さらに自由の（空きの）ビツトを利用できる場
合には5dB領域の、2.5dB領域への分割が行なわ
れる。分割は任意に継続され得る。ビツトの節減
及びこれらのビツトを、分解能の改善（精密化）
のために使用することは適応化量子化と称せられ
る。

第５図は時点ｔ９にて時間窓ｔ１−ｔ７内に生
じる突然の音響事象の前処理の状態を示す。この
ような音響事象は例えばトライアングルの叩打に
よるものである。上述の前処理は第１図中第３ス
テツプにて行なわれる。音響事象２９にはｔ８と
ｔ９との間の前振動状態（これは前マスキングに
よつて可聴でない）が先行する。第１図中第４ス
テツプでの周波数スペクトルへの変換の際そのつ
ど、窓ｔ１−ｔ７にてスペクトル分布を表わす信
号が周波数領域内に生じる。

この信号の場合１つの時間窓内での個々の時点
へのスペクトル線の対応割当てはもはや行なわれ
ないので、事象２９は時間窓ｔ１−ｔ７に亘つて
平均化される、つまり擬似的にならされることと
なる。そうなると可聴の誤りが生じるおそれがあ
る。

このようなおそれのある誤りを避けるため時間
窓ｔ１−ｔ７又はブロツクが３２のサブブロツク
に分けられている。個々のサブブロツクの振幅が
求められる。20dBより大の振幅ジヤンプが２つ
のサブブロツク間に生じると直ちに付加的な手段
が講ぜられる。それによれば、信号が振幅ジヤン
プの前にコンパンダ方式により送信側で強められ
受信側にて再び相応に弱められる（低下される）
のである。その後時間窓全体に亘つての短時間の
事象の平均化による上述の誤りが減少される。

第６図は比較的に精細な高い振幅分割の信号伝
送の別の実施例である。ラスタ４６は周波数スペ
クトルについてセツテイングされている。この表
の一番上の限界は絶対の最大値１５で終つてい
る。ラスタ４０は最大16の6dB段階づけを有し、
従つて96dBの領域に及んでいる。このラスタ４
０に基づき表４１が作成される。この表は受信器
側で作成され、送信側で再生可能である。すなわ
ち、表中の値４２，４４，４３，２０，２１，２
２，２３，４５の位置は再生可能である。表は１
ビツト（０又は１）により、所属の値が領域Ａ１
−Ａ３，Ａ５−Ａ７の5dB領域内にあるか、又は
６−10dBの領域内にあるかを示す。要するに比
較的に精細な振幅分割のため１つの値に対して唯
１つのビツトが伝送される。値２０に対してはそ
の値２０がＡ１の０−5dB内にあることを指示す
るために０が伝送される。値４２，４４は0dBの
行に割当てられ、値４３，２０，２１は6dBの行
に割当てられ、値２２，２３は12dBの行に割当
てられ、値４５は18dBの行に割当てられる。各
値に所属するビツトは表41に従い0dBから始まつ
て行ごとに伝送される。すべての周波数スペクト
ルに対する伝送時間は同じである。振幅値及び位
相値の粗い量子化により幾つのビツトが節減され
るのかに応じて、表41から益々多くのビツトが伝
送され得る。つまり、第１行０からのビツトは後
続の行からのビツトより高い確率を以つて伝送さ
れる。破線４６は線４７と４８との間の境界を設
定する。値２３に対するビツトは値４５に対する
ビツトより大きな確率で伝送される（尤も、値４
５の大きさは値２３の大きさより大であるが）。

発明の効果 本発明によれば、再生の際品質の低下を来たさ
ずに、各サンプリング値あたり小さな平均ビツト
レートで事足りるデジタルオーデイオ信号の伝送
方法を実現できるという効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の時間的経過を示す説明
図、第２図は順次連続するブロツクを得るための
信号のウインドウ化を示す波形図、第３図はウイ
ンドウ化の際使用される振幅特性カーブを示す
図、第４図は個々の周波数領域への短時間スペク
トルの周波数帯域分割及び各成分の振幅評価の波
形図、第５図は特別な信号内容に対する信号の付
加的処理扱いの説明図、第６図は比較的精細な振
幅分割の別の実施例の波形図である。 ６…送信器、７…通信チヤネル、８…受信器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アナログ信号をデジタル信号に変換し、当該
   伝送の前に短時間スペクトルを表わす（成す）信
   号に変換し、ここにおいて周波数帯域全体を複数
   の周波数群に分け、前記信号をコード化して伝送
   し、この伝送の後デコーデイングし、逆変換し、
   再びアナログ信号に変換するようにした方法にお
   いて、周波数群における各信号部分を、伝送すべ
   きデジタル信号のコード化の際、サイコアクステ
   イツク（心理音響的）法則性に基づいてそれの表
   示精度の点で異なつて重み付けし、当該の重み付
   けにおいて、当該の変換された信号振幅値が当該
   値領域内の所定の閾値を上回る際各々の信号振幅
   −最大値を基点として（から出発して）、各周波
   数群に対応して分けられ、同じ値領域内に位置す
   る振幅値が同じ値として伝送され、更に、上記閾
   値を下回る振幅値が零にセツトされるようにした
   ことを特徴とするオーデイオ信号の伝送方法。 ２ 上記値領域の細分化は用いられ得る空きビツ
   トの数に依存するようにした特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ３ アナログ信号をデジタル信号に変換し、当該
   伝送の前に短時間スペクトルを表わす（成す）信
   号に変換し、ここにおいて周波数帯域全体を複数
   の周波数群に分け、前記信号をコード化して伝送
   し、この伝送の後デコーデイングし、逆変換し、
   再びアナログ信号に変換するようにした方法にお
   いて、周波数群における各信号部分を、伝送すべ
   きデジタル信号のコード化の際、サイコアクステ
   イツク（心理音響的）法則性に基づいてそれの表
   示精度の点で異なつて重み付けし、当該の重み付
   けにおいて、絶対的信号量としての、周波数帯域
   全体の絶対的最大振幅値が、そして、それ以外の
   （残りの）周波数群に対応する最大振幅の信号量
   が、当該の夫々の変換される振幅値に関して所定
   の閾値を上回る際各々の信号振幅−最大値を基点
   として（から出発して）複数の値領域に分けら
   れ、同じ値領域内に位置する振幅値は同じ値とし
   て伝送され、当該閾値を下回る振幅値は零にセツ
   トされ、更に、それまで伝送に用いられなかつた
   空きビツトが当該値領域の一層より精細な細分化
   のため用いられるようにしたことを特徴とする、
   オーデイオ信号の伝送方法。 ４ 短時間スペクトルを表わす信号への変換をフ
   ーリエ変換（FT）によつて行なう特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ５ フーリエ変換として拘束フーリエ変換
   （FFT）を用いるようにした特許請求の範囲第４
   項記載の方法。 ６ 上記短時間は20msのオーダであるようにし
   た特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 信号の成分を比較的わずかに重み付けするか
   又は抑圧するようにした特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ８ 信号の成分を振幅の減少と共に比較的に小さ
   く重み付けをするようにした特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ９ コード化の際所定の振幅を下回ると信号の成
   分を抑圧するようにした特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 １０ 信号の成分をその振幅と、比較的大きな振
   幅のマスキングさるべきスペクトル成分に対する
   周波数間隔とに依存して比較的に小さく重み付け
   をするか又は抑圧するようにした特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 １１ 信号を時間窓ｔ１−ｔ７により時間的に順
   次連続するブロツクに分割し、該ブロツクを短時
   間スペクトルを表わす信号列に変換するようにし
   た特許請求の範囲第１項記載の方法。 １２ 時間窓は時間的に相互に重なり合うように
   した特許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３ 重なり合い時間ｔ１〜ｔ２；ｔ６−ｔ７は
   時間窓の持続時間の５−８％の大きさ、例えば
   6.25％であるようにした特許請求の範囲第１２項
   記載の方法。 １４ 送信側、受信側における時間窓の振幅−特
   性カーブWA，WSは同一であるようにした特許
   請求の範囲第１１項記載の方法。 １５ 重なり合い時間ｔ１−ｔ２；ｔ６−ｔ７中
   のブロツクの振幅特性カーブWA，WSは連続的
   に上昇ないし低下する経過を有するようにした特
   許請求の範囲第１１項記載の方法。 １６ 重なり合い時間中の振幅特性カーブWA，
   WSの経過を、当該時間中に各振幅特性カーブ
   WA，WSの生成波の和が送信、受信側について
   １であるように選定、ないし設計した特許請求の
   範囲第１４項記載の方法。 １７ 時間窓の終りにて振幅特性カーブの立下り
   側縁がコサイン状経過を有し、時間窓の始めにて
   立上り側縁がサイン状経過を有するようにした特
   許請求の範囲第１６項記載の方法。 １８ 各周波数群の振幅−最大値１４，１５，１
   ６，１７，１８の各値が伝送されるようにした特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 １９ １つのブロツクを夫々複数のサブブロツク
   ３２に分け、かつ１つのサブブロツクから次のサ
   ブブロツクへ所定値２０dBを上回る振幅ジヤン
   プが生じる度ごとに、コンパンダ方式での伝送の
   ため時間的に先行するサブブロツクでの振幅値が
   高められるようにした特許請求の範囲第１１項記
   載の方法。 ２０ スペクトルを大きさおよび位相の点で表示
   する特許請求の範囲第４項記載の方法。