JPH0537396A

JPH0537396A - デイジタルデータの高能率符号化方法及び装置

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Publication number: JPH0537396A
Application number: JP3216216A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Akagiri; 健三赤桐
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1993-02-12
Anticipated expiration: 2016-02-13
Also published as: KR100351772B1; KR930005379A; JP3134383B2

Abstract

(57)【要約】【構成】直交変換されて入力端子３０１から供給され
たスペクトルデータをクリティカルバンド毎に適応的に
ビット割当する際に、ビット割当に使用可能な全ビット
について、信号のエネルギに依存したビット配分回路３
０４での割当分と、固定ビット配分回路３０５での割当
分とに分割して配分される。【効果】信号のスペクトルが分散している場合にも、
信号のトーナリティが高い場合にも、それぞれ良好な特
性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、いわゆる高能率符号化
によって入力ディジタルデータの符号化を行ない、伝
送、あるいは記録再生し、復号化して再生信号を得るよ
うな、ディジタルデータの高能率符号化方法及び装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】オーディオあるいは音声等の信号の高能
率符号化の手法には種々あるが、例えば、時間軸上のオ
ーディオ信号等をブロック化しないで、複数の周波数帯
域にフィルタで分割して符号化する非ブロック化周波数
帯域分割方式として、帯域分割符号化（サブ・バンド・
コーディング：ＳＢＣ）等を挙げることができ、また、
時間軸の信号を周波数軸上の信号に変換（直交変換）し
て複数の周波数帯域に分割し、各帯域毎に符号化するよ
うなブロック化周波数帯域分割方式、いわゆる変換符号
化等を挙げることができる。

【０００３】また、上述の帯域分割符号化と変換符号化
とを組み合わせた高能率符号化の手法も考えられてお
り、この場合には、例えば、上記帯域分割符号化で帯域
分割を行った後、該各帯域毎の信号を周波数軸上の信号
に直交変換し、この直交変換された各帯域毎に符号化が
施される。

【０００４】ここで、上述した帯域分割のためのフィル
タとしては、例えばＱＭＦフィルタがあり、1976 R.E.
Crochiere, Digital coding of speech in subbands, B
ellSyst.Tech. J. Vol.55, No.8 1976 に述べられてい
る。また ICASSP 83, BOSTONPolyphase Quadrature fil
ters-A new subband coding technique, Joseph H.Roth
weilerには等バンド幅のフィルタ分割手法が述べられて
いる。次に上述した直交変換としては、例えば、入力オ
ーディオ信号を所定単位時間（フレーム）でブロック化
し、当該ブロック毎に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、離
散的コサイン変換（ＤＣＴ）、モディファイドＤＣＴ変
換（ＭＤＣＴ）等を行うことで時間軸を周波数軸に変換
するようなものが挙げられる。ＭＤＣＴについては ICA
SSP 1987 Subband/Transform Coding Using Filter Ba
nk Designs Based on Time Domain Aliasing Cancellat
ion, J.P.Princen, A.B.Bradley, Univ. of Surrey Ro
yal Melbourne Inst. of Tech. に述べられている。

【０００５】さらに、周波数帯域分割された各周波数成
分を量子化する周波数分割幅としては、例えば人間の聴
覚特性を考慮した帯域分割が行われる。すなわち、一般
に臨界帯域（クリティカルバンド）と呼ばれている高域
程帯域幅が広くなるような帯域幅で、オーディオ信号を
複数（例えば２５バンド）の帯域に分割することがあ
る。また、この時の各帯域毎のデータを符号化する際に
は、各帯域毎に所定のビット配分或いは、各帯域毎に適
応的なビット割当て（ビットアロケーシヨン）による符
号化が行われる。例えば、上記ＭＤＣＴ処理されて得ら
れた係数データを上記ビットアロケーシヨンによって符
号化する際には、上記各ブロック毎のＭＤＣＴ処理によ
り得られる各帯域毎のＭＤＣＴ係数データに対して、適
応的な割当てビット数で符号化が行われることになる。

【０００６】ビット割当手法としては、次の２手法が知
られている。先ず、IEEE Transactions of Accoustics,
Speech, and Signal Processing,vol.ASSP-25, No.4,
August 1977では、各帯域毎の信号の大きさをもとに、
ビット割当を行なっている。この方式では、量子化雑音
スペクトルが平坦となり、雑音エネルギ最小となるが、
聴感覚的にはマスキング効果が利用されていないために
実際の雑音感は最適ではない。

【０００７】次に、ICASSP 1980 The critical band c
oder -- digital encoding of theperceptual requirem
ents of the auditory system, M.A.Kransner, MIT で
は、聴覚マスキングを利用することで、各帯域毎に必要
な信号対雑音比を得て固定的なビット割当を行なう手法
が述べられている。しかしこの手法ではサイン波入力で
特性を測定する場合でも、ビット割当が固定的であるた
めに、特性値がそれほど良い値とならない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、各帯域の
信号の大きさでビット配分を行ない、量子化雑音エネル
ギを最小にすると、聴覚的雑音レベルは最小とならず、
マスキング効果を考えて、各帯域に固定的なビット配分
を行なうと、サイン波入力時には良い信号対雑音特性を
得にくい。

【０００９】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
ものであり、聴覚的にも望ましく、また１ｋHzサイン波
入力のような孤立スペクトル入力に対しても良好な特性
を得られるビット配分手法を有するディジタルデータの
高能率符号化方法及び装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るディジタル
データの高能率符号化方法は、入力ディジタル信号を複
数の周波数帯域に分割すると共に、各帯域毎に適応的に
ブロックサイズを変化させた後、直交変換を行うことに
よりスペクトルデータを求め、このスペクトルデータを
クリティカルバンド毎に適応的にビットを割り当てるデ
ィジタルデータの高能率符号化方法であって、ビット割
当に使用できる全ビットについて、いかなる時間に対し
ても予め定められた固定ビット割当パターン分と、時間
と周波数とに関係して細分化された小ブロック中の信号
の大きさに依存する割当分とに配分されて、分割使用さ
れることにより、上述した課題を解決する。また固定ビ
ット割当パターンを複数個持つことにより、より効果的
な割当が可能となる。

【００１１】さらに、上記ディジタルデータの高能率符
号化方法により、ディジタルデータを符号化し、伝送又
は記録を行うディジタルデータの高能率符号化装置によ
っても、上述の課題を解決する。

【００１２】この場合、信号の大きさが小さいほど、高
域ビット割当比の少ないパターンを選択する事は、有効
配分を行なう上で有益である。非ブロッキング周波数分
割出力を更にブロッキング周波数分割する周波数分解手
法を用いる高能率符号においては、前記非ブロッキング
周波数分割出力の大きさでパターンを選択することも有
益である。また、複数個の固定ビット割当パターンのビ
ット数を同じにすることで、ハードウエア規模を小さく
できる。

【００１３】

【作用】本発明によれば、音楽信号のようにスペクトル
が、分散している場合にもマスキング効果により聴感覚
からみた雑音レベルが低くでき、またサイン波入力時に
も信号の大きい帯域にビットを集められるので信号対雑
音比を大きくすることができる。

【００１４】

【実施例】オーディオＰＣＭ信号等の入力ディジタル信
号を、帯域分割符号化（ＳＢＣ）、適応変換符号化（Ａ
ＴＣ）及び適応ビット割当て（ＡＰＣ−ＡＢ）の各技術
を用いて高能率符号化する実施例について、図１を参照
しながら説明する。

【００１５】図１に示す具体的な高能率符号化装置で
は、入力ディジタル信号をフィルタ等により複数の周波
数帯域に分割すると共に、各周波数帯域毎に直交変換を
行って、得られた周波数軸のスペクトルデータを、後述
する人間の聴覚特性を考慮したいわゆる臨界帯域（クリ
ティカルバンド）幅毎に適応的にビット割当して符号化
している。もちろんフィルタ等による非ブロッキングの
周波数分割幅は等分割幅としてもよい。さらに、本発明
実施例においては、直交変換の前に入力信号に応じて適
応的にブロックサイズ（ブロック長）を変化させると共
に、クリティカルバンド単位もしくは高域では臨界帯域
（クリティカルバンド）幅を更に細分化したブロックで
フローティング処理を行っている。このクリティカルバ
ンドとは、人間の聴覚特性を考慮して分割された周波数
帯域であり、ある純音の周波数近傍の同じ強さの狭帯域
バンドノイズによって当該純音がマスクされるときのそ
のノイズの持つ帯域のことである。このクリティカルバ
ンドは、高域ほど帯域幅が広くなっており、上記０〜２
０ｋHzの全周波数帯域は例えば２５のクリティカルバン
ドに分割されている。

【００１６】すなわち、図１において、入力端子１０に
は例えば０〜２０ｋHzのオーディオＰＣＭ信号が供給さ
れている。この入力信号は、例えばいわゆるＱＭＦフィ
ルタ等の帯域分割フィルタ１１により０〜１０ｋHz帯域
と１０ｋ〜２０ｋHz帯域とに分割され、０〜１０ｋHz帯
域の信号は同じくいわゆるＱＭＦフィルタ等の帯域分割
フィルタ１２により０〜５ｋHz帯域と５ｋ〜１０ｋHz帯
域とに分割される。帯域分割フィルタ１１からの１０ｋ
〜２０ｋHz帯域の信号は、直交変換回路の一例であるMo
dified Discrete Cosine Transform（ＭＤＣＴ）回路１
３に送られ、帯域分割フィルタ１２からの５ｋ〜１０ｋ
Hz帯域の信号はＭＤＣＴ回路１４に送られ、帯域分割フ
ィルタ１２からの０〜５ｋHz帯域の信号はＭＤＣＴ回路
１５に送られることにより、それぞれＭＤＣＴ処理され
る。

【００１７】ここで、各ＭＤＣＴ回路１３、１４、１５
のブロックサイズの具体例を図２に示す。この図２の具
体例においては、高域側ほど周波数帯域を広げると共に
時間分解能を高め（ブロック長を短くし）ている。すな
わち、低域側の０〜５ｋHz帯域の信号及び中域の５ｋ〜
１０ｋHz帯域の信号に対しては１ブロックｂ_L、ｂ_Mの
サンプル数を例えば２５６サンプルとし、高域側の１０
ｋ〜２０ｋHz帯域の信号に対しては、ｂ_Hを上記低域及
び中域側のブロックｂ_L、ｂ_Mのそれぞれ１／２の長さ
BL_L／２、BL_M／２の長さでブロック化している。この
ようにして各帯域の直交変換ブロックサンプル数を同じ
としている。また、各々の帯域は、信号の時間的変化が
大きい場合を想定して更に１／２、１／４等の適応的な
ブロック分割が可能である。

【００１８】再び図１において、各ＭＤＣＴ回路１３、
１４、１５にてＭＤＣＴ処理されて得られた周波数軸上
のスペクトルデータあるいはＭＤＣＴ係数データは、い
わゆる臨界帯域（クリティカルバンド）毎に又は高域で
は臨界帯域（クリティカルバンド）幅を更に細分化した
ブロック毎にまとめられて、適応ビット割当符号化回路
１６、１７、１８に送られている。

【００１９】適応ビット割当符号化回路１６、１７、１
８により各臨界帯域（クリティカルバンド）毎に又は高
域では臨界帯域（クリティカルバンド）幅を更に細分化
したブロック毎に割り当てられたビット数に応じて、各
スペクトルデータ（あるいはＭＤＣＴ係数データ）を再
量子化するようにしている。このようにして符号化され
たデータは、出力端子２２、２４、２６を介して取り出
される。このときどのような信号の大きさに関する正規
化がされたかを示す、フローティング情報とどのような
ビット長で量子化がされたかを示すビット長情報が同時
に送られる。

【００２０】図３は、適応ビット割当符号化回路１６、
１７、１８の内部機能の具体例を示す機能ブロック図で
あり、図１における各ＭＤＣＴ回路１３、１４、１５の
出力は、図３の適応ビット割当機能部３００の入力端子
３０１を介して帯域毎のエネルギ算出回路３０３に送ら
れて、上記クリティカルバンド（臨界帯域）毎のエネル
ギが、例えば当該バンド内での各振幅値の２乗平均の平
方根を計算すること等により求められる。この各バンド
毎のエネルギの代わりに、振幅値のピーク値、平均値等
が用いられることもある。図４は、上記エネルギ算出回
路３０３からの出力として、例えば臨界帯域（クリティ
カルバンド）内の又は高域では臨界帯域（クリティカル
バンド）幅を更に細分化したブロック内の総和値のスペ
クトルの例を示すものであるが、この図４では図示を簡
略化するため、上記臨界帯域（クリティカルバンド）の
数又は高域では臨界帯域（クリティカルバンド）幅を更
に細分化したブロックバンド数を１２バンド（Ｂ1 〜Ｂ
12）で表現している。

【００２１】適応ビット割当動作を図３を参照しながら
さらに説明する。今ＭＤＣＴ係数を表現して伝送又は記
録に使える総ビット数（ビットレート）を１００Ｋｂｐ
ｓとする。これを図３では、使用可能総ビットを示すブ
ロック３０２からの総ビット１００Ｋｂｐｓで表してい
る。本実施例では、そのうち６０Ｋｂｐｓを固定ビット
配分回路３０５での固定ビット配分のために用い、残り
４０Ｋｂｐｓを帯域毎のバークスペクトルに依存したビ
ット配分回路３０４でのビット配分に用いるものとす
る。固定ビット配分のためのビット割当パターンは複数
個用意されており、信号の性質により、種々の選択をす
ることができる。実施例では、１００Ｋｂｐｓに対応す
る短い時間のブロックのビット量を、各周波数に分布さ
せた、種々のパターンを持つ。

【００２２】特に、本実施例では、中低域と高域とのビ
ット配分率を違えたパターンを複数個用意している。そ
して、信号の大きさが、小さいほど、高域への割当量が
少ないパターンを選択するようにする。このようにし
て、小さい信号の時ほど高域の感度が低下するラウドネ
ス効果を生かせる。このときの信号の大きさとしては、
全帯域の信号の大きさを使用することもできるが、さら
にはフィルタなどが用いられている、非ブロッキング周
波数分割回路の出力、もしくはＭＤＣＴ出力を利用す
る。

【００２３】そして固定ビット配分と臨界帯域（クリテ
ィカルバンド）又は高域では臨界帯域（クリティカルバ
ンド）幅を更に細分化したブロックの信号の値に依存し
たビット配分の値の和が和算出回路３０６でとられて、
出力端子３０７を介して取り出され、量子化の際に使用
される。ここで、信号スペクトルが平坦なときのビット
割当の様子を図５に示し、これに対応する量子化雑音
（ノイズスペクトル）の様子を図６に示す。また、信号
スペクトルのトーナリティが高いとき、すなわち聴覚的
に信号の音程感があって周波数に偏りが生じているとき
のビット割当の様子を図７に示し、これに対応する量子
化雑音（ノイズスペクトル）の様子を図８に示す。ここ
で図５、図７内において、白抜きの部分は固定ビット割
当分のビット量を、また斜線部分は信号レベル依存分の
ビット量をそれぞれ示している。また、図６、図８内に
おいて、曲線ａは信号レベルを、曲線ｂは固定ビット割
当分による雑音レベルを、斜線部ｃは信号レベル依存分
による雑音低下分をそれぞれ示している。

【００２４】すなわち図５及び図６は、信号のスペクト
ルが割合平坦である場合を示しており、固定ビット割当
分による雑音レベルは全帯域に亘りある程度の信号雑音
比を取るために役立つ。しかし低域及び高域では比較的
少ないビット割当が使用されている。これは聴覚的にこ
の帯域の重要度が小さいためである。同時に信号レベル
依存のビット配分を行なう分により、信号の大きさが大
きい帯域の雑音レベルが選択的に低下させられる。しか
し信号のスペクトルが割合平坦である場合には、この選
択性も割合広い帯域に亘って働くことになる。

【００２５】これに対して図７、図８に示すように、信
号スペクトルが高いトーナリティを示す場合には、信号
レベル依存のビット配分を行なう分による量子化雑音の
低下は極めて狭い帯域の雑音を低減するために使用され
る。これにより孤立スペクトル入力信号での特性の向上
が達成される。

【００２６】図９はこのようにして高能率符号化された
信号を、伝送あるいは記録再生した後に、再び復号化す
るための復号回路を示している。各帯域の量子化された
上記ＭＤＣＴ係数は、復号回路入力端子１２２、１２
４、１２６に与えられ、使用されたブロックサイズ情報
は、入力端子１２３、１２５、１２７に与えられる。復
号化回路１１６、１１７、１１８では適応ビット割当情
報を用いてビット割当を解除する。次にＩＭＤＣＴ（逆
ＭＤＣＴ）回路１１３、１１４、１１５で周波数軸上の
信号が時間軸上の信号に変換される。これらの部分帯域
の時間軸上の信号は、ＩＱＭＦ（逆ＱＭＦ）回路１１
２、１１１により全帯域信号に復号化され、出力端子１
１０より取り出される。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明に係るディジタルデータの高能率符号化方法によれ
ば、入力ディジタル信号を複数の周波数帯域に分割した
後、直交変換を行い、得られたスペクトルデータをクリ
ティカルバンド毎に適応的にビットを割り当てるディジ
タルデータの高能率符号化方法であって、ビット割当に
使用できる全ビットについて、いかなる時間に対しても
予め定められた固定ビット割当パターン分と、時間と周
波数とに関係して細分化された小ブロック中の信号の大
きさに依存する割当分とに配分するようにしている。こ
のビット配分手法は聴覚的にも望ましく、また、１ｋHz
サイン波入力のような孤立スペクトル入力に対しても良
好な特性を、何度も繰り返してビット量調整をせず、唯
１回の演算で得られるビット配分が実現できる。すなわ
ち、音楽信号のようにスペクトルが分散している場合に
も、マスキング効果により聴感覚からみた雑音レベルが
低くでき、またサイン波入力時にも信号の大きい帯域に
ビットを集められるので信号対雑音比を大きくすること
ができる。

【００２８】また、上記ディジタルデータの高能率符号
化方法により、ディジタルデータを符号化し、伝送また
は記録を行うようなディジタルデータの高能率符号化に
よっても、同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となる符号化装置の構成例を
示すブロック回路図である。

【図２】該実施例装置の信号の周波数及び時間分割の具
体例を示す図である。

【図３】該実施例装置に用いられる適応ビット割当符号
化回路のビット配分アルゴリズムの一例を説明するため
の機能ブロック図である。

【図４】バークスペクトルを示す図である。

【図５】上記実施例の概略平坦なスペクトルの信号入力
時のビット配分の例を示す図である。

【図６】上記実施例の概略平坦なスペクトルの信号入力
時の量子化雑音スペクトルの例を示す図である。

【図７】上記実施例の高いトーナリティーを持つ信号入
力時のビット配分の例を示す図である。

【図８】上記実施例の高いトーナリティーを持つ信号入
力時の量子化雑音スペクトルの例を示す図である。

【図９】上記実施例の符号化装置に対する復号化装置の
構成例を示すブロック回路図である。

【符号の説明】

１０・・・高能率符号化回路入力端子１１、１２・・・ＱＭＦ回路１３、１４、１５・・・ＭＤＣＴ回路１６、１７、１８・・・適応ビット割当符号化回路１９、２０、２１・・・ブロックサイズ決定回路２２、２４、２６・・・符号化出力端子２３、２５、２７・・・ブロックサイズ情報出力端子１２２、１２４、１２６・・・符号化入力端子１２３、１２５、１２７・・・ブロックサイズ情報入力
端子１１６、１１７、１１８・・・適応ビット割当復号化回
路１１３、１１４、１１５・・・ＩＭＤＣＴ回路１１２、１１１・・・ＩＱＭＦ回路１１０・・・高能率復号化回路出力端子３００・・・適応ビット割当機能部３０２・・・使用可能な総ビット数を示すブロック３０３・・・帯域毎のエネルギ算出回路３０４・・・エネルギ依存のビット配分回路３０５・・・固定のビット配分回路３０６・・・ビットの和演算回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力ディジタル信号を複数の周波数帯域
に分割すると共に、各周波数帯域毎に適応的にブロック
サイズを変化させた後、直交変換を行うことによりスペ
クトルデータを求め、このスペクトルデータをクリティ
カルバンド毎に適応的にビットを割り当てるディジタル
データの高能率符号化方法であって、ビット割当に使用
できる全ビットについて、いかなる時間に対しても予め
定められた固定ビット割当パターン分と、時間と周波数
とに関係して細分化された小ブロック中の信号の大きさ
に依存する割当分とに配分されていることを特徴とする
ディジタルデータの高能率符号化方法。
【請求項２】請求項１に記載のディジタルデータの高
能率符号化方法によりディジタルデータを符号化し、伝
送又は記録を行うことを特徴とするディジタルデータの
高能率符号化装置。
【請求項３】上記固定ビット割当パターンは割当パタ
ーンの異なる複数の固定ビット割当パターンであること
を特徴とする請求項１に記載のディジタルデータの高能
率符号化方法。
【請求項４】上記固定ビット割当パターンは、クリテ
ィカルバンド内の信号の大きさに応じて、高域へのビッ
ト割当の少ない固定ビット割当パターンを選択すること
を特徴とする請求項３に記載のディジタルデータの高能
率符号化方法。
【請求項５】上記固定ビット割当パターンは、非ブロ
ッキング周波数分割出力をさらにブロッキング周波数分
割する周波数分割手法により、非ブロッキング周波数分
割出力の大きさにより固定ビット割当パターンを選択す
ることを特徴とする請求項３に記載のディジタルデータ
の高能率符号化方法。