JPH0588700A - ピツチ合成フイルタの符号化方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は適応コードブック探索を行うCELP型音
声符号化方式に再帰形のピッチ合成フィルタを組合わせ
ピッチゲインの符号化を行うようにしている。 【構成】CELP符号化部100 にて適応コードブックを用い
てピッチ周期検索を行うとともに検索されたピッチ周期
により指定される適応コードブックのコードベクトルを
出力し、このコードベクトルを用いて合成部140 で合成
ベクトルを生成するとともに、この合成ベクトルをピッ
チ周期とゲインテーブル150 のピッチゲインをパラメー
タとしてピッチ合成部160で生成される再帰形ピッチ合
成フィルタに入力してピッチ合成処理を行い合成音声を
生成し、これをゲイン評価部170 与え合成音声の歪量を
基にゲインテーブル150 のピッチゲインを選択するよう
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、CELP方式の音声符号化
に適用されるピッチ合成フィルタの符号化方式に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、音声信号を8kbit/秒程度の低レー
トで高品質に符号化できる符号化方式として、CELP(Cod
e Excited Linear Predicion) 方式が知られている。CE
LP方式の詳細はP.Kroon 氏らの"A Class of Analysis-b
y-Synthesis Coding at RatesBetween 4.8 and 16kbits
/s",IEEE SAC-6, pp.353-363,February 1988 に述べら
れている。

【０００３】CELP方式は、合成音声信号を駆動信号と合
成フィルタとピッチ合成フィルタとにより生成する音声
符号化方式の１つに分類され、その特徴とするところ
は、音声信号から生成される目標ベクトルと合成ベクト
ルとの波形歪が小さくなるように駆動信号コードブック
内から最適なコードベクトルを選択するところにある。
図４は、従来のCELP方式の符号側で行われるピッチゲイ
ンの符号化部分とそれ以外の部分に分けて示すブロック
図である。

【０００４】図において、２１２は入力端子で、この入
力端子２１２に与えられる入力信号（例えば音声信号）
は、フィルタ係数算出部２０１及び目標ベクトル算出部
２１１にそれぞれ送られる。

【０００５】フィルタ係数算出部２０１は、入力信号を
線形予測分析して声道特性を表す合成フィルタのフィル
タ係数を求め、これを符号化してインパルス応答を求
め、フィルタ係数情報を目標ベクトル算出部２１１、影
響信号算出部２１３および合成ベクトル算出部２０６に
与え、さらに出力端子２２０より出力する。また、目標
ベクトル算出部２１１は、フィルタ係数算出部２０１の
フィルタ係数を基に数を基に決まる重みフィルタで入力
信号を重み付けし、後で述べる影響信号算出部２１３の
過去の符号化による現在の入力信号への影響信号を該重
み付けされた入力信号から差し引き、駆動信号のベクト
ル量子化に用いる目標ベクトルX を算出するようにして
いる。

【０００６】一方、２０３はコードブックで、このコー
ドブック２０３は、駆動信号生成部２１４で生成された
過去の駆動信号を順次取り込み、また、コードブック２
０３内の不要な駆動信号を廃棄することでその内容を更
新可能にしている。ここで、コードブック２０３は、CE
LP方式の場合、性質の異なる複数のものを用いることが
多く、ここでは最も効率の良いコードブックとして知ら
れる適応コードブックが用いられている。この適応コー
ドブックは過去に符号化された音声の駆動信号をコード
ブックとするもので、人間の音声で強い周期性（ピッ
チ）を持つ区間の駆動信号ではピッチ周期毎に似た波形
が繰り返すため、効率のよい駆動信号の符号化が可能に
なる。また、適応コードブックのコードベクトルは、ピ
ッチ周期に基づいてコード番号が付けられ、現在のサン
プル点からピッチ周期だけ過去の駆動信号をコードベク
トルとするようにしている。

【０００７】そして、コードブック２０３の出力は、合
成ベクトル算出部２０６に送られ、合成ベクトル算出部
２０６において、フィルタ係数算出部２０１のインパル
ス応答とコードブック２０３からのピッチ周期T に基づ
くコードベクトルにより畳み込み計算を行い合成ベクト
ル D_T を計算する。

【０００８】さらに、合成ベクトル算出部２０６の合成
ベクトル D_T をピッチ合成部２０８に入力し、これに探
索中のピッチ周期T を与えてピッチ合成処理を施しピッ
チ合成ベクトル U_T を生成する。この場合のピッチ合成
処理は、次式により行うことができる。 U_T (n) ＝ D_T (n)+ U_T (n-T) …（１）

【０００９】上式ではピッチ周期T 、ピッチゲイン１の
ピッチ合成フィルタの処理を表しているが、このような
ピッチ合成フィルタは、ｚ変換領域で1/(1-z^-T) とな
り、入力波形を周期T で単純に繰り返す効果しか持たな
い。

【００１０】従って、従来のCELP方式では、ピッチゲイ
ンを１とする代わりに U_T に乗じるべき最適のゲインγ
_T を求めて符号化するようにしているが、この方法では
式１に示すようなピッチ周期の更新区間内で全く同じ形
の駆動信号が繰り返すピッチ合成フィルタが用いられる
ため、同じようなパワーで繰り返す音声信号については
比較的効率よく表現できるが、駆動信号のパワーが急激
に増加する音声の出だしの区間やパワーの減少する言葉
の終わりの区間では音声を正確に表すことができない。

【００１１】そして、ピッチ合成部２０８にてピッチ周
期T を与えられた合成ベクトル U_Tは、コード探索部２
１５に与えられ、ピッチ周期T を与えた合成ベクトル U
_T と目標ベクトルX を用いてコード検索（ピッチ周期検
索）を行う。ここでのコード検索は、最適ゲインγ_T を
与えられたときの合成ベクトルγ_T U と目標ベクトルX
との歪 X^t X-(X^t U_T ) ² /( U_T ^t U_T ) の最小化、即
ち、値(X^t U_T ) ² /(U_T ^t U_T ) が最大となるコード
（ピッチ周期）を探索することで行われる。そして、最
適ゲイン値はゲイン決定部２０７へ、最適なコード情報
は駆動信号生成部２０７に与えられるとともに、出力端
子２１８に出力される。

【００１２】ゲイン決定部２０７では、コード探索部２
１５で計算される最適ゲインγ_{T opt} ＝(X^t U_Topt)/(U
_Topt ^t U_Topt) を目標値として、ゲインテーブル２０５
を用いてコードベクトルのゲインを符号化し、これを出
力端子２１９に出力する。また、駆動信号生成部２１４
では、コード探索部２１５の最適コード情報およびゲイ
ン決定部２０７の符号化されたゲインを用い、最適コー
ドベクトルにゲインを乗ずることにより現在区間の音声
の駆動信号を生成するようになる。また、この駆動信号
は影響信号算出部２１３に与えられ、影響信号算出部２
１３にて現在区間の音声の駆動信号のベクトル量子化に
よる次の区間への影響信号を算出するようになる。

【００１３】しかして、このようなCELP方式によれば、
選択された駆動信号コードと合成フィルタとピッチ合成
フィルタとより生成される合成音声信号は、歪が小さい
ことを符号側で確認しているので、復号側でも8kbit/秒
程度のビットレートについては良好な合成音声を生成す
ることが可能となる。

【００１４】ところで、従来の8kbit/秒程度のビットレ
ートで符号化を実現するものでは、適応コードブック探
索及びピッチ合成を5msec 程度の短い区間( サブフレー
ム)毎に行うようにしているが、このような短いサブフ
レームを用いれば実際の音声の駆動信号のゲイン及びピ
ッチ周期の変化が少なくなるので、比較的正確に駆動信
号を表現できる。

【００１５】これに対して、最近、さらに低いビットレ
ートである4kbit/秒程度の音声の符号化を行うことが考
えられているが、このような低いビットレートを用いる
と、使用できるビット数に制約があることから、サブフ
レームの長さを大きくしてピッチ周期及びピッチゲイン
のそれぞれの更新周期を長くする必要がある。しかし、
このようにすると各サブフレーム毎での駆動信号のゲイ
ン及びピッチ周期の変化が顕著となって、合成音声が滑
らかに変化しなくなり、これが原因で合成音声の品質が
劣化する欠点があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の音声
符号化においては、ビットレートが4kbit/秒程度の低レ
ートになると、使用できるビット数の制約からピッチ周
期及びピッチゲインの更新周期（サブフレーム）を長く
する必要が生じ、これによりサブフレーム内で変化する
駆動信号情報、特にピッチゲインの情報を正確に表現で
きなくなり高品質な合成音声を生成できないという問題
点があった。

【００１７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、4kbit/秒程度の低ビットレートでも合成音声のパワ
ーが滑らかに変化し高品質な合成音声を生成できるピッ
チ合成フィルタの符号化方式を提供することを目的とす
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明のピッチ合成フィルタの符号化方式は、適
応コードブックを用いてピッチ周期検索を行うとともに
該検索されたピッチ周期により指定される前記適応コー
ドブックのコードベクトルを出力する音声符号化手段、
音声符号化手段より出力されるコードベクトルを用いて
合成ベクトルを生成する合成ベクトル生成手段、符号化
手段での適応コードブック検索で求まるピッチ周期とゲ
インテーブルのピッチゲインをパラメータとして再帰形
ピッチ合成フィルタを生成するとともに、合成ベクトル
生成手段の合成ベクトルについて再帰形のピッチ合成処
理を施し合成音声を生成する手段、合成音声の歪量を基
に前記ゲインテーブルのピッチゲインを選択する手段に
より構成している。

【００１９】

【作用】この結果、本発明によればCELP符号化で閉ルー
プのピッチ周期探索により決定したピッチ周期とゲイン
テーブルのピッチゲイン候補を用いて再帰形ピッチ合成
フィルタを生成し、このピッチ合成フィルタを用いて合
成された音声信号の歪量を基に最適なピッチゲインをゲ
インテーブルから選択することで、駆動信号の急激なパ
ワーの増加／減少に対応できるパワーの変化の滑らかな
合成音声が得られるようになる。つまり、CELP符号化に
より求めた高精度のピッチ周期を用いた再帰形ピッチ合
成フィルタを使用することにより、低レートでもパワー
の変化が滑らかで且つピッチ周期の正確な高品質な合成
音声を提供できるようになる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に従い説明す
る。

【００２１】図１は、同実施例に係るピッチ合成フィル
タの符号化方式を適用したCELP型の音声符号化方式の原
理的構成を示すブロック図である。図において、１１２
は入力端子で、この入力端子１１２に与えられる入力信
号（例えば音声信号）はCELP符号化部１００に入力され
る。

【００２２】CELP符号化部１００は、上述した図４の符
号２００で説明したCELP方式のものが適用される。な
お、このようなCELP方式のものでは、音声の駆動信号を
符号化するために適応コードブックの他に雑音コードブ
ック等のコードブック用いることが多いが、ここでは適
応コードブックだけを用いたものが使用される。

【００２３】そして、このようなCELP符号化部１００に
おいて入力音声信号より抽出される合成フィルタ係数
は、合成部１４０に与えられ、同時に出力端子１２０よ
り出力される。また、探索されたピッチ周期の情報は、
遅延部１６６に与えられ、同時に出力端子１１８より出
力される。さらに、探索されたピッチ周期Toptで指定さ
れる適応コードブックからのコードベクトルは、合成部
１４０に与えられ、また、入力信号を重み付けして得ら
れる目標ベクトルは、ゲイン評価部１７０に与えられ
る。

【００２４】合成部１４０はCELP符号化部１００より与
えられるコードベクトルと合成フィルタの係数を基に合
成ベクトル D_Toptを求め、この合成ベクトル D_Toptをピ
ッチ合成部１６０に与える。

【００２５】ピッチ合成部１６０は、加算部１６２、遅
延部１６６、乗算部１６４より構成され、合成部１４０
からの合成ベクトルを入力として、ゲインテーブル１５
０よりのピッチゲインの候補値b とCELP符号化部１００
のピッチ周期 T_opt を用いて下式に示す再帰形のピッチ
合成フィルタP(z)により処理を行いピッチ合成ベクトル
Y を生成する。 P(z)＝1/(1- bz^-Topt ) …（２）

【００２６】ここでのピッチ合成フィルタは、CELP符号
化で閉ループのピッチ周期探索により決定した高精度な
ピッチ周期 T^opt とゲインテーブルのピッチゲイン候補
b を用いて生成されたもので、b>1 のときは入力信号の
振幅をピッチ周期 T_opt 毎にb 倍に滑らかに増加し、b<
1 のときは入力信号の振幅をピッチ周期 T_opt 毎にb倍
に滑らかに減少するように動作する。

【００２７】ピッチ合成部１６０での動作をさらに詳し
く説明すると、加算部１６２では合成ベクトル D
_Topt(n) とピッチ合成ベクトルのピッチ周期分過去の値
にゲインテーブル１５０よりのピッチゲインの候補値b
を乗じた値bY(n-T_opt ) を加算しピッチ合成ベクトルY
(n)を出力する。また、遅延部１６６では過去のピッチ
合成ベクトルを格納し、CELP符号化部１００からのピッ
チ周期 T_opt に基づいてピッチ周期分過去のピッチ合成
ベクトルの値を出力する。そして、乗算部１６４では、
この値にゲインテーブル１５０よりのピッチゲインの候
補値b を乗じた値を加算部１６２に出力するようにな
る。このような処理は、例えば次式に従って行われる。 Y(n)＝ D_Topt(n)+bY(n-T_opt ) …（３）

【００２８】そして、ゲイン評価部１７０にてCELP符号
化部１００の目標ベクトルX とピッチ合成ベクトルY と
の歪量を評価し、歪量が最小となるピッチゲイン b_opt
をゲインテーブル１５０から探索し、最適ピッチゲイン
の情報をCELP符号化部１００に与えるとともに、出力端
子１１９より出力するようになる。

【００２９】従って、このようにしたピッチ合成フィル
タの符号化方式を適用すれば、従来のサブフレーム内で
全く同じ形の駆動信号が繰り返すピッチ合成フィルタと
異なり、再帰形ピッチ合成フィルタを用いるので駆動信
号の急激なパワーの増加／減少に対応でき、また、確定
したピッチ周期に対してだけゲインテーブル内のゲイン
を探索するため、ゲイン探索に要する計算量の増加も無
視できるほど少なくでき、ゲインの符号化ビット数の増
加は全く無いという利点もある。これにより、サブフレ
ーム長が大きい構成の低ビットレートの音声符号化にお
いても、パワーの変化の滑らかな高品質の合成音声を得
られるようになる。

【００３０】因みに、本発明の効果を確かめるために、
実際の音声信号を用いて符号化の比較実験を行ったとこ
ろ、図３の結果が確認された。ここで、図３（ａ）は実
際の入力音声信号の波形図(60msec)で、従来のピッチ周
期の更新区間内で全く同じ形の駆動信号が繰り返すピッ
チ合成フィルタを用いたものでは、同図（ｂ）に示すよ
うな合成音声信号の波形となり、合成音声のパワーが滑
らかに変化しないため、入力音声信号波形のパワー変化
に似ていないものとなるが、本発明では、上述した再帰
形ピッチ合成フィルタを用いることにより同図（ｃ）に
示すように合成音声のパワーが滑らかに変化する合成音
声信号の波形となり、より入力音声信号波形のパワー変
化に近くなっている。次に、本発明の第２の実施例を図
２に従い説明する。この場合、図２は、図１と同一符号
を付した部分は、上述した説明と同様の機能を有するの
で、ここでの説明は省略する。図において、入力信号
（例えば音声信号）は入力端子１１２よりフィルタ係数
算出部１０１及び目標ベクトル算出部１１１に入力され
る。

【００３１】フィルタ係数算出部１０１ではフレーム長
（通常20ms程度）単位で入力信号を予測分析して合成フ
ィルタのフィルタ係数を求め、これを符号化して係数情
報を出力端子１２０に出力する。これ以下の処理はベク
トルの次元数のサンプルで表される時間長を一小区間
（サブフレーム）として、サブフレーム毎に行われる。

【００３２】目標ベクトル算出部１１１では、フィルタ
係数算出部１０１のフィルタ係数を基に決まる重みフィ
ルタで入力信号を重み付けし、後で述べる影響信号算出
部１１３の過去の符号化による現在の入力信号への影響
信号を該重み付けされた入力信号から差し引き、駆動信
号のベクトル量子化に用いる目標ベクトルX を算出す
る。

【００３３】一方、コードブック１０３は適応コードブ
ックからなるもので、後で述べる駆動信号生成部１１４
で生成された過去の駆動信号V(n)を取り込み、また、コ
ードブック１０３内の不要な駆動信号を廃棄すること
で、その内容を更新している。この場合、コードブック
１０３から生成されるコードベクトルは、コードがピッ
チ周期T ＝I （I は整数）に対応するもので、そのコー
ドベクトル V_I (n)(n=0,1,...,L)は、次式で定義されて
いる。（ここで、L はベクトルの次元を表している。） V_I (n)=V(n-I) (n=0,1,...,min(I-1,L-1)) …（４） コードブック１０３のコードベクトルは合成ベクトル算
出部１０６に送られる。

【００３４】合成ベクトル算出部１０６では、フィルタ
係数算出部１０１のフィルタ係数とコードブック１０３
の探索ピッチ周期に基づくコードベクトルにより合成ベ
クトル D_I を計算する。

【００３５】そして、この合成ベクトル算出部１０６の
合成ベクトル D_Iをピッチ合成部１０８に与える。ピッ
チ合成部１０８では、ピッチ周期I、ピッチゲイン１の
ピッチ合成フィルタで合成ベクトルをピッチ合成するよ
うになる。このような処理は次式に従って実行される。 U_I (n) ＝ D_I (n)+ U_I (n-I) …（５） なお、探索するピッチ周期I がベクトルの次元数L 以上
の場合は、ピッチ合成部１０８の処理は省略できる。

【００３６】ピッチ合成部１０８の合成ベクトル U
_I は、コード探索部１１５に与えられる。コード探索部
１１５では、ピッチ合成部１０８の合成ベクトル U_I と
目標ベクトルX とを用いて、コード探索を行う。ここで
のコード探索は、値(X^t U_I ) ² /( U_I ^t U_I ) が最大
となるコードを探索することで行われる。そして、最適
なコードの情報は出力端子１１８より出力されるととも
に、コードブック１０３に送られる。一方、合成部１４
０ではコードブック１０３の最適コードベクトルとフィ
ルタ係数算出部１０１の合成フィルタ係数を基に合成ベ
クトル D_Toptを求める。

【００３７】そして、この合成ベクトル D_Toptはピッチ
合成部１６０に送られる。ピッチ合成部１６０では、合
成部１４０からの合成ベクトルを入力として、ゲインテ
ーブル１５０よりのピッチゲインの候補値b とコード探
索部１１５よりのピッチ周期T_opt を用いて上述の式２
に従って再帰形のピッチ合成処理を実行し、ピッチ合成
ベクトルY を生成するようになる。

【００３８】そして、ゲイン評価部１７０にて目標ベク
トル算出部１１１の目標ベクトルXとピッチ合成ベクト
ルY の歪量を評価し、歪量が最小となるピッチゲイン b
_optをゲインテーブル１５０から探索し、最適ピッチゲ
インの情報を駆動信号生成部１１４に与えるとともに、
出力端子１１９より出力するようになる。

【００３９】駆動信号生成部１１４では、コード探索部
１１５のコード情報およびゲイン評価部１７０のゲイン
情報を用いて、最適コードベクトルにゲインを乗ずるこ
とにより現在のサブフレームの音声の駆動信号を生成す
るようになる。また、この駆動信号は影響信号算出部１
１３に与えられ、影響信号算出部１１３にて次のサブフ
レームの目標ベクトル算出のための現サブフレームの符
号化による次のサブフレームへの影響信号を算出するよ
うになる。

【００４０】従って、このようにしたピッチ合成フィル
タの符号化方式によっても、従来のサブフレーム内で全
く同じ形の駆動信号が繰り返すピッチ合成フィルタと異
なり、再帰形ピッチ合成フィルタを用いるので駆動信号
の急激なパワーの増加／減少に対応でき、また、確定し
たピッチ周期に対してだけゲインテーブル内のゲインを
探索するため、ゲイン探索に要する計算量の増加も無視
できるほど少なくでき、ゲインの符号化ビット数の増加
は全く無いという利点もある。これにより、サブフレー
ム長が大きい構成の低ビットレートの音声符号化におい
ても、パワーの変化の滑らかな高品質の合成音声を得ら
れることになる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明のピッチ合成
フィルタの符号化方式によれば、駆動信号の急激なパワ
ーの増加／減少に対応でき、パワーの変化の滑らかな合
成音声が得られ、4kbit/秒程度の低ビットレートでも合
成音声のパワーが滑らかに変化する高品質な合成音声を
生成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成を示すブロック
図。

【図２】本発明の第２の実施例の概略構成を示すブロッ
ク図。

【図３】本発明の一実施例の効果を説明するための波形
図。

【図４】従来のピッチ合成フィルタの符号化方式を説明
するための図。

【符号の説明】

１００…CELP符号化部、１０１…フィルタ係数算出部、
１０３…コードブック、１０６…合成ベクトル算出部、
１０８…ピッチ合成部、１１１…目標ベクトル算出部、
１１３…影響信号算出部、１１４…駆動信号生成部、１
１５…コード探索部、１４０…合成部、１５０…ゲイン
テーブル、１６０…ピッチ合成部、１６２…加算部、１
６４…乗算部、１６６…遅延部、１７０…ゲイン評価
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】適応コードブックを用いてピッチ周期検索
   を行うとともに該検索されたピッチ周期により指定され
   る前記適応コードブックのコードベクトルを出力する音
   声符号化手段と、 前記音声符号化手段より出力されるコードベクトルを用
   いて合成ベクトルを生成する合成ベクトル生成手段と、 前記符号化手段での適応コードブック検索で求まるピッ
   チ周期とゲインテーブルのピッチゲインをパラメータと
   して再帰形ピッチ合成フィルタを生成するとともに前記
   合成ベクトル生成手段の合成ベクトルについて再帰形の
   ピッチ合成処理を施し合成音声を生成する手段と、 前記合成音声の歪量を基に前記ゲインテーブルのピッチ
   ゲインを選択する手段とを具備したことを特徴とするピ
   ッチ合成フィルタの符号化方式。