JPH0630125B2 - 音声信号の符号化記憶装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 音声信号（以下の記述においては、音声信号が単に信号
のように記載されることもある）を符号化しデジタル信
号として伝送あるいは記録再生する場合に、データ量を
なるべく少なくするための手段としては、従来、信号振
幅を対数圧縮したり、あるいは差分をとったり、もしく
はデルタ変調をするなどの諸方式が採用されて来ている
ことは周知のとおりであるが、これらの従来の諸方式で
はデータの減少を振幅方向に求めていたために、量子化
歪により再生信号の品質が劣化したものとなるという問
題があった。

本出願人会社では、データ量の減少を大巾なものとする
場合に、ビットの減少を振幅方向に求めないでそれをむ
しろ時間軸の方向に求めて、標本値列から得られる波形
と原信号の波形との相違の度合いが一定比以下となるよ
うに波形近似を行なって、大巾なデータ量の減少が期待
できるような音声信号の近似圧縮方式を提案（特開昭56
-155998号公報参照）しており、ある程度の成果を挙げ
得たが、この既提案の方式では標本化周期が先の標本値
からの信号波形のずれに基づいて定められ、信号の波形
自体に基づいて定められるようにはなされていなかった
ために、信号における細かい波形の再生の点で不充分で
あるという傾向が認められた。

本出願人会社における前記の既提案における問題点を解
決するために本出願人会社では、信号のゼロ点間隔が略
々等分されるような標本化間隔で信号が符号化されるよ
うなデジタル符号化装置を提案した。ところで、前記の
デジタル符号化装置は、信号の符号化を簡単に行なうこ
とができる反面、標本化間隔がランダムであるために、
信号の再生時にもとの信号からの誤差により生じる歪の
成分が再生周波数帯域内に含まれる場合に、それが除去
できずに再生信号内に含まれるということが問題となっ
た。

すなわち、信号のゼロ点間隔毎に、そのゼロ点間隔が略
々等分されるような標本化間隔で信号を符号化した場合
には、ゼロ点間隔の長い信号部分において当然に標本化
周期が長くなるが、その標本化周期の長い信号部分（標
本化周波数の低い周波数部分）と対応する再生信号が無
歪となる周波数帯域は、サンプリング定理から標本化周
波数の1/2以下の周波数帯域であるのに、再生系中に設
けられている低域濾波器の通過帯域は、符号化の対象と
される信号において最もゼロ点間隔が短い部分と対応し
て決定された標本化周期に基づいて設定されているか
ら、標本化周期の長い信号部分と対応する再生信号にお
ける歪の成分が再生中に設けられている低域濾波器の通
過帯域中に含まれてしまうことも起こるので、再生信号
の歪がどうしても多くなることが問題となる。

そこで、上記の問題点を解決するために本出願人会社で
は、先に、符号化の対象とされる信号を一定の時間長毎
の信号（１フレームの信号）とし、その１フレームの信
号毎にゼロ点の個数を求め、１フレームの信号の期間に
おける平均のゼロ点間隔を定めることにより、再生時に
各１フレームの信号毎の再生信号における高調波成分が
低域濾波器によって除去できるようにした記録再生装置
を提案した。

本発明は、前記した既提案の記録再生装置よりも一層忠
実度の高い記録再生、あるいは伝送を行なうことができ
るような符号化記憶装置を提供するものであり、以下添
付図面を参照しながら本発明の信号の符号化記憶装置の
内容を詳細に説明する。

第１図は本発明の音声信号の符号化記憶装置を含んで構
成された記録再生装置の一実施態様のもののブロック図
であって、この第１図において、MICはマイクロホン、L
PFは低域濾波器、ADCはAD変換器、CGはクロックパルス
の発生器、CCTはマイクロコンピュータを含んで構成さ
れている制御回路、Ｍ_１は第１の記憶装置（第１のメモ
リ、バッファメモリ）、Ｍ_２は第２の記憶装置（第２の
メモリ）、DAC_１，DAC_２はDA変換器、VLPFは可変通過帯
域型の低域濾波器、AMPは増幅器、SPはスピーカであ
り、また、OPは操作部、Brは記録釦、Bpは再生釦、Bsは
停止釦である。

マイクロホンMICは、音波を電気信号（音声信号）に変
換して低域濾波器LPFに与える。第１図示の装置では信
号源としてマイクロホンMICが用いられているが、信号
源として他の形態の音声信号の発生器、あるいは他の信
号の発生器が用いられてもよいことは当然である。

低域濾波器LPFは、以下の実施例の説明ではそれの遮断
周波数が3KHzであるとされている。低域濾波器LPFによ
って3KHz以下の周波数帯域の信号になされた音声信号
は、AD変換器ADCによって所要のビット数（以下の説明
では８ビット）のデジタル信号となされて、マイクロコ
ンピュータを含んで構成されている制御回路CCTへ与え
られるが、前記したAD変換器ADCは、クロックパルスの
発生器CGからの8KHzの繰返し周波数のパルスによってAD
変換を行なっている。

AD変換器ADCから出力されたデジタル信号は、入力され
た音声信号が常に一定の標本化周期（第１の時間間隔、
説明例においては1/8000秒）で標本化され、それが量子
化された８ビットのデジタル信号であり、それは制御回
路CCTの制御の下に第１の記憶装置Ｍ_１（バッファメモ
リＭ_１）へ順次に記憶される。前記したバッファメモリ
Ｍ_１は、以下の説明例では512バイトの記憶容量を有し
ているものとされており、また、それは記憶容量の半分
づつの２つの記憶領域に分けられて、その２つの記憶領
域は順次交互に１フレームの信号分のデータの書込みと
１フレームの信号分のデータの読出しとに使用されてい
るものとされている。

すなわち、バッファメモリＭ_１における２つの記憶領域
は、それぞれ256バイトづつの記憶容量を有しており、A
D変換器ADCから1/8000秒毎に送出される各８ビット（１
バイト）の標本値の256個からなる１フレーム（単位フ
レーム）の信号と対応するデータが、バッファメモリＭ
_１における第１の記憶領域に記憶されている間に、バッ
ファメモリＭ_１における第２の記憶領域からは、それに
既に記憶されていた１フレームの信号と対応するデータ
が読出されるのであり、第２の記憶領域から読出された
データに基づいて、制御回路CCTではその読出されたデ
ータと対応する１フレームの信号における周波数スペク
トルを求める計算を行なったり、求めた周波数スペクト
ルに基づいて得た信号の主要な成分のレベル（例えば、
平均レベル、あるいはピークレベル）から一定比だけレ
ベルの低下したところをしきい値レベルとして、そのし
きい値レベル以上の成分の内で最も高い周波数成分を検
出したり、検出された最も高い周波値の成分の周波数値
の略々２倍の周波値の逆数以下の時間長（これは後述す
る第２の時間間隔）を標本化周期Tcとして、バッファメ
モリＭ_１における第２の記憶領域から標本化周期Tcおき
のアドレスの標本値を次々に読出して新たな標本値列よ
りなる１フレームの信号のデータを作り出し、それに前
記した標本化周期Tcと関連するデータ、その他の所要な
データなどを付加して組のデータとし、それを第２のメ
モリＭ_２へ記憶させる。

バッファメモリＭ_１における第２の記憶領域に記憶され
ていた１フレームの信号について上記の符号化が行なわ
れた後に、今後は、バッファメモリＭ_１における第２の
記憶領域に対して、AD変換器ADCからの１フレームの信
号が新らたに記憶されて行き、またバッファメモリＭ_１
における第１の記憶領域に記憶されていた１フレームの
信号が読出されて、それについて前述と同様な処理が行
なわれ、その１フレームの信号についての新たな標本値
列よりなる１フレームのデータが作り出され、それに新
たな標本値列を得るのに用いられた標本化周期Tsと関連
するデータ、その他の所要なデータなどが付加された組
のデータとなされて、それが第２のメモリＭ_２へ記憶さ
れる。

以上のようにして、時間軸上に相次ぐ各１フレームの信
号について順次に符号化が行なわれ、それが第２のメモ
リＭ_２に順次に記憶されるのであるが、次に、第２図に
示すフローチャートも参照して第１図示の装置における
記録動作について説明する。第１図示の装置の記録動作
は、操作部OPにおける記録釦Brが操作されることによっ
て、第２図に示すフローチャートに示すプログラムに従
って行なわれるのであり、操作部OPにおける記録釦Brが
操作されると、プログラムがスタート（第２図中の「は
じめ」）すると、ステップ(1)で制御回路CCTに設けられ
ている９ビットの標本カウンタ、と16ビットのフレーム
カウンタなどをリセットする。

記録釦Brが操作される以前、すなわち、第２図示のフロ
ーチャートにおける「はじめ」の前においても、第１図
示の装置の制御回路CCTはクロックパルスの発生器CGか
らのパルスを受けることにより、ステップ(8)の割込み
動作を行なっていて、AD変換器ADCからのデジタル信号
出力をバッファメモリＭ_１に順次に記憶させ、また、９
ビットの標本カウンタをカウントアップしている。

また、「はじめ」の以前において、９ビットの標本カウ
ンタは、それがフルカウントに達する度毎にリセットを
繰返すようになされている。

ステップ(2)で、バッファメモリＭ_１から、それに記憶
されていた標本値を読出して、１フレームの信号におけ
る周波数スペクトルをフーリエ変換により算出し、それ
から、各次数の信号成分のパワースペクトルを算出して
ステップ(3)に進む。

前記の１フレームの信号の周波数スペクトルの算出及び
パワースペクトルの算出は、１フレームの信号と対応す
る256個の標本値の全部を一度に用いて行なってもよい
が、計算速度を上げるために、１フレームの信号と対応
する256個の標本値を例えば、時間軸上で連続して読出
される32個の標本値づつを各１群とする８群に分けて、
それぞれの群毎に周波数スペクトルの算出及びパワース
ペクトルの算出を行ない、各群毎に得られた算出値を算
術平均して、１フレームの信号における周波数のスペク
トル及びパワースペクトルを得るようにした方がよく、
以下の実施例の説明も、１フレームの信号と対応する25
6個の標本値を32個づつの８群に分けて算出している場
合についてなされている。

なお、１フレームの信号と対応する256個の標本値を、
それぞれ時間軸上で連続して読出された32個づつの標本
値からなる８群に分けて周波数スペクトルを算出した場
合における高調波の次数の最高は16となる。

次に、ステップ(3)では、算出されたパワースペクトル
のピーク値（または平均レベル）を求め、また、そのパ
ワースペクトルのピーク値（または平均レベル）から一
定比以下（例えば、1/64以下）のレベルの信号成分を除
き、残された信号成分の内で最も次数の高い高調波成分
を検出してステップ(4)に進む。

ステップ(4)では、前記の検出された高調波成分の次数
と対応して、次の第１表に示すようなテーブルを参照し
て標本化周期（第２の時間間隔からなる周期）Tcを決定
する。

第１表中の標本化周期の欄に示されている数値の単位
は、AD変換器ADCにおける標本化周期（実施例の説明で
は1/8000秒とされていることは既述のとおりである）で
あり、第２の時間間隔からなる標本化周期Tcは、第１の
時間間隔からなるAD変換器ADCにおける標本化周期の自
然数倍（１，２，３，…１６倍）とされている。また、
最高次数が６〜16の範囲において、本来の標本化周期
１，２と正しく対応している次数は、標本化周期１に対
しては次数16、標本化周期２に対しては次数８だけなの
であるが、第１表に示すテーブルでは、標本化周期１に
対して次数９〜16を対応させ、また、標本化周期２に対
して次数６〜８を対応させるようにしている。

なお、再生される信号の最高周波数が第１表中に示され
ている標本化周波数の1/2となることは、サンプリング
定理から明らかである。

すなわち、検出された最も次数の高い高調波成分（最も
高い周波数成分）の２倍の周波数値の逆数以下で、か
つ、前記した第１の時間間隔の自然数倍である第２の時
間間隔を標本化周期として、１フレーム（単位フレー
ム）の標本値データから標本値列を抽出するように構成
している。

例えば次数16（検出された信号の最高周波数が4KHz）で
は標本化周期が１（標本化周波数8KHz、1/8000秒の時間
間隔）とされ、これは第１の時間間隔に等しい。例えば
次数８（検出された信号の最高周波数が2KHz）では標本
化周期が２（標本化周波数が4KHz、1/4000秒の時間間
隔）とされ、これは第１の時間間隔の２倍である。

さらに、例えば次数６（検出された信号の最高周波数が
1.5KHz）でも、標本化周期が２とされる。この場合、最
高周波数1.5KHzの２倍である標本化周波数3KHzの逆数で
ある時間間隔は、1/3000秒（計算上、この時間間隔は標
本化周期２．６７にあたる）であるが、標本化周期はこ
の逆数（時間間隔1/3000秒）以下の標本化周期２（時間
間隔1/4000秒）とされて、第１の時間間隔の２倍とされ
る。

ステップ(5)では、バッファメモリＭ_１から前記のよう
にして決定された標本化周期Tc毎の標本値を順次に読出
すために、９ビットの標本カウンタ（アドレスカウン
タ）のTcおきの計数値をアドレス信号として、バッファ
メモリＭ_１から順次にＮ個の標本値を読出し抽出し、ま
た、16ビットのフレームカウンタの計数値Fcのフレーム
番号と、標本数Ｎ、標本化周期Tcと、前記したＮ個の標
本値（標本値列）とを組にしたデータを作り、それを第
２のメモリＭ_２に記憶させてステップ(6)に進む。

ステップ(6)では、16ビットのフレームカウンタがフル
カウントになっているか、あるいは停止釦Bsが操作され
ているかをみて、フレームカウンタがフルカウントにな
っていたり、あるいは停止釦Bsが操作されている状態で
あれば、おわりとなり、そうでなければステップ(2)に
戻り、上記の各ステップを繰返す。

フレームカウンタのカウント数Fcに対して２バイト、標
本数Ｎに対して１バイト、標本化周期Tcに対して１バイ
ト、それに64バイトの標本値列とによって、１フレーム
の信号毎に68バイトの記憶容量の第２のメモリが必要と
されるが、今、第２のメモリＭ_２として64Ｋバイトのメ
モリを使用したとすれば、第２のメモリＭ_２には963フ
レーム、すなわち、約30秒強の信号が記憶されることに
なる。

これまでの説明より明らかなように、第２のメモリＭ_２
には各１フレームの信号について、標本化周期Tcのデー
タと、標本値列と、標本数Ｎのデータと、フレーム番号
Fcなどが組となったデジタルデータが記憶されるが、こ
れは、バッファメモリＭ_１に記憶されていたデジタルデ
ータに比べて大巾にデータ量が減少されているものとな
っているのであり、本発明の信号の符号化記憶装置によ
って行なわれる符号化により、データ量が減少され、小
容量のメモリによって長時間の音声信号の記録再生が可
能となる。また、本発明では信号の符号化が各１フレー
ムの信号における周波数スペクトルに基づいて行なわれ
るので、既提案の場合に比べて再生信号の品質が向上さ
れうることは明らかである。

次に、前記のようにして第２のメモリＭ_２に記憶された
信号を読出して、音声信号が再生される場合について第
３図に示すフローチャートをも参照して説明する。

第１図示の装置における操作部OPの再生釦Bpが操作され
て、第３図示のプログラムがスタート（第３図の「はじ
め」）し、まず、ステップ(1P)でフレームカウンタ、標
本カウンタがリセットされ、ステップ(2P)で第２のメモ
リＭ_２から１フレームの信号内の標本数Ｎと標本化周期
Tcのデータとを読出し、次に、ステップ(3P)では第２の
メモリＭ_２から標本値が記憶された順に１つづつ読出さ
れてDA変換器DAC_１へ与えられ、また、標本化周期Tcの
データがDA変換器DAC_２へ与えられる。

ステップ(4P)では、ステップ(2P)〜(5P)の一巡の所要時
間が標本化周期Tcの示す時間長と一致するように時間待
ちを行なう。

1/8000＝（Tc−１）（プログラムループ時間）＋｛ステ
ップ(2P)，ステップ(3P)，ステップ(5P)及びステップ(4
P)の固定部分｝の時間、 ステップ(5P)ではＮ個の標本値の読出しが終了したか否
かを判定し、未だに終了していなかったならばステップ
(2P)へ戻り、終了していればステップ(6P)へ進む。

ステップ(6P)ではフレームカウンタがフルカントになっ
たか、あるいは停止釦Bsが操作されたかをみて、フレー
ムカウンタがフルカウントになっていたり、あるいは停
止釦Bsが操作された状態であればおわり、否であればス
テップ(2P)へ戻る。

前記したステップ(4P)におけるDA変換器DAC_１，DAC_２へ
のデジタルデータの供給によって、DA変換器DAC_１から
は１フレームの信号内における次々の標本値と対応する
アナログ信号が可変通過帯域型の低域濾波器VLPFへ入力
信号として供給され、また、DA変換器DAC_２からは１フ
レームの信号における標本値の標本化周期Tcと対応する
アナログ信号が可変通過帯域型の低域濾波器VLPFへそれ
の制御信号として与えられる。

第４図は、DA変換器DAC_１，DAC_２の部分と可変通過帯域
型の低域濾波器VLPFの構成例とを示すブロック回路図で
あって、可変通過帯域の低域濾波器VLPFは、それの遮断
周波数の可変範囲における高い方の遮断周波数が抵抗Ｒ
_５，Ｒ_８とコンデンサＣ_１，Ｃ_２によって定められ、ま
た、遮断周波数の可変範囲における低い方の遮断周波数
は、抵抗Ｒ_６，Ｒ_７とコンデンサＣ_１，Ｃ_２によって決
められ、さらに、前記した遮断周波数の可変範囲の中間
の周波数値は、DA変換器DAC_２に入力される標本化周期T
cのデータ入力によって切換えられるアナログスイッチA
SWと、それぞれ直列に接続されている可変抵抗器Ｒ_２，
Ｒ_３を可変して、標本化周期Tcのデータと対応してそれ
ぞれ所定の周波数値となるように調整される。

標本化周期Tcと、標本化周期Tcに対応する標本化周波数
_ｓと、低域濾波器の遮断周波数_ｃとの対応関係の一
例を次の第２表に示す。

第４図に示されている可変通過域型の低域濾波器VLPF
は、DA変換器DAC_２に与えられた標本化周期Tcのデータ
の値によって、アナログスイッチASWで選択された抵抗
により増幅器Ａ_１の利得が変わり、それに従ってフォト
カプラPC_１，PC_２におけるフォトダイオードPd，Pdの発
光量が変化することによる感光抵抗体（例えばCdS）V
R，VRの抵抗値の変化によって遮断周波数が変わり、通
過帯域が可変制御されるのである。なお第４図中におい
て、Ｒ_１，Ｒ_４，Ｒ_５〜Ｒ_８は抵抗、Ｒ_２，Ｒ_３は可変
抵抗器、Ａ_１，Ａ_２は増幅器、Ｃ_１，Ｃ_２はコンデン
サ、PC_１，PC_２はフォトカプラである。

以上の説明においては、本発明の標本化周期の可変な符
号化装置が、記録再生装置中に使用されている場合のも
のであったが、本発明装置はデジタル信号の伝送系にお
ける符号化装置として用いられてもよいことは当然であ
る。

以上、詳細に説明したところから明らかなように、本発
明の装置において、それが再生モードとなされた場合に
は、第２のメモリＭ_２から順次に読出される各１フレー
ムの信号と対応する標本値列をDA変換して得たアナログ
信号が、その標本値列における標本化間隔TcをDA変換し
て得た制御信号によって通過帯域が可変制御される可変
通過帯域型の低域濾波器VLPFに与えられて、再生信号中
に標本化周波数の1/2の周波数値以上の歪成分が生じな
いようになされうるのである。

このように、本発明の装置においては、符号化の対象と
される信号を一定の時間長毎の信号（１フレームの信
号）とし、その１フレームの信号毎に１フレームの信号
における周波数スペクトルに基づいて標本化周期を設定
したから、品質の良い再生信号が得られる状態で、しか
も大巾なデータ量が減少できるような符号化が行なわ
れ、かつ、再生時において各１フレームの信号毎の再生
信号における高調波成分が通過帯域外となるように、低
域濾波器の通過帯域を、各１フレームの信号毎に設定さ
れている標本化周期と対応して変化させれば、再生信号
中に歪が生じないようにすることもできるのであり、さ
らに、第２の時間間隔からなる標本化周期Tcを、第１の
時間間隔からなるAD変換器ADCにおける標本化周期の自
然数倍としているので、単純に標本化データを間引くだ
けで良く、回路構成が簡易なものとなり、本発明装置に
よれば既述した問題点がすべて良好に解消できることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の音声信号の符号化記憶装置の一実施態
様のブロック図、第２図及び第３図は説明用のフローチ
ャート、第４図は可変通過帯域型の低域濾波器及び、そ
の関連部分のブロック回路図である。 MIC……マイクロホン、LPF……低域濾波器、ADC……AD
変換器、CG……クロックパルス発生器、CCT……マイク
ロコンピュータを含んで構成された制御回路、OP……操
作部、Br……記録釦、Bp……再生釦、Bs……停止釦、Ｍ
_１……第１の記憶装置（バッファメモリ）、Ｍ_２……第
２の記憶装置、DAC_１，DAC_２……DA変換器、VLPF……可
変通過帯域型の低域濾波器、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】符号化の対象とされる音声信号を、予め定
   められた第１の時間間隔で標本化して、標本値データと
   する手段と、 所定数の前記標本値データからなる単位フレームの音声
   信号に対して、その周波数スペクトルを求める手段と、 前記手段によって求められた単位フレームあたりの周波
   数スペクトルに基づいて、そのパワーレベルのピーク値
   または平均レベルから一定比だけレベルの低下したとこ
   ろをしきい値レベルとして、このしきい値レベル以上の
   周波数成分の内で最も高い周波数成分を検出する手段
   と、 前記第１の時間間隔の自然数倍であって、かつ、前記手
   段によって検出された最も高い周波数成分の２倍の周波
   数値の逆数以下である第２の時間間隔を標本化周期とし
   て、前記単位フレームの標本値データから標本値列を抽
   出する手段と、 前記抽出した単位フレームごとの標本値列と前記標本化
   周期とを、記憶する手段と、 前記記憶した単位フレームごとの標本化周期に応じた通
   過帯域で、記憶した標本値列を音声信号に再生する手段
   とからなることを特徴とする音声信号の符号化記憶装
   置。