JPH0750589A - サブバンド符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低い転送レートにおいて符号化音質の改善さ
れたサブバンド符号化装置を提供する。 【構成】 音声信号等のデジタル信号を複数の帯域に分
割する帯域分割フィルタと、該フィルタの出力ブロック
毎の電力を求めそれを量子化する電力算出手段と、該電
力算出手段からの出力を前記出力ブロック毎に適応量子
化する量子化手段と、この電力の量子化値により前記各
帯域毎の量子化ビットを適応的に制御する量子化ビット
数制御部とを備えたサブバンド符号化装置において、前
記量子化による波形歪みを最小にするための理論ビット
割当数を基準とし、人の聴覚のマスキング効果によるビ
ット割当補正を行うものである。そして、前記電力の量
子化値に対応した基準電力値を有する試験信号を用いた
実験結果に基づいてビット割当テーブルを作成し、該テ
ーブルに基づいて前記ビット割当補正を行なうことが望
ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば音声ＩＣレコー
ダ等に用いられるデジタル音声信号を主として符号化す
るサブバンド符号化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりデジタルの音声信号を圧縮符号
化する際、いくつかのサブバンドに分割して符号化する
方法が取られている。

【０００３】例えば本発明の出願人による特開平４−１
２９４３０号公報（Ｈ０３Ｍ７／００）はその一例を開
示している。同公報には入力されたデジタルの音声信号
がまず帯域分割フィルタ群（ＢＰＦ：Band Path Filte
r）によって分割され、分割されたデジタルの音声信号
の各々は通過帯域の中心周波数だけ下に周波数シフトさ
れ、そこで低域通過フィルタを通して低周波数信号に変
換され、それを帯域通過フィルタの帯域幅から決まる標
本化周波数でダウンサンプリングしてその結果をブロッ
ク毎の前向き適応ＰＣＭ（Pulse Code Modulation)で符
号化するものであった。

【０００４】またこの公報に開示された技術の復号部で
は各帯域毎に上記の操作とは逆の操作をして各帯域毎の
帯域通過信号を作成し、それらを帯域結合フィルタ群で
結合して出力音声波形とするものであった。

【０００５】斯かる技術の利点としては、 （１）帯域毎にビット配分を効果的に行うことができ
る。 （２）各帯域の量子化誤差はその帯域の信号のみに関係
し、該帯域の電力が小さい場合は例え量子化歪みが多く
とも全体の信号から見ると僅かな誤差でしかない。 （３）各帯域の量子化誤差は理想的には白色雑音となり
周波数スペクトル的に広く拡がり、その一部しか斯かる
帯域に影響を及ぼさない。 等が挙げられる。

【０００６】また上記（１）（２）より各帯域に割り当
てる 1サンプル当りのビット数をその帯域の信号の電力
に応じて適応的に変化させていくことが望ましいが、こ
の場合は以下の式に従って分割するのが最も適当（波形
歪みが最小になる）されていた。

【０００７】

【数１】

【０００８】但し数 1において、Ｎは帯域分割数、Ｒ_i
はｉバンドの１サンプル当りに割り当てるビット数、Ａ
は１サンプル当りの平均ビット数、Ｕ_i はｉバンドの電
力、Ｗ_i はｉバンドの帯域幅比率である。

【０００９】ここで例えばブロック毎に求めた電力を

【００１０】

【数２】

【００１１】の形に量子化すれば、前記数１は、

【００１２】

【数３】

【００１３】但し、

【００１４】

【数４】

【００１５】となる。また例えば前記数３で、

【００１６】

【数５】

【００１７】とすると、

【００１８】

【数６】

【００１９】となる。ところで実際には、前記数４によ
る比例配分により各サブバンドのビットの総和が４Ａと
なるようビットを配分する。

【００２０】更に、従来から人の聴覚のマスキング効果
を利用したビット割当方法が提案されている。尚ここで
いうマスキング効果とは、ある周波数の音がこれに近接
する周波数の音によってマスクされ、音として人に近く
されないという効果を意味する。

【００２１】斯かる従来方法では帯域分割数を３２に分
割した例があり、各々の帯域に割当てるビット数ｂ_i を
次式により求めている。

【００２２】

【数７】

【００２３】但し、

【００２４】

【数８】

【００２５】ここでpeakは各ブロックの最大値、MinNoi
seは最小可聴レベル設定値、ｍは実験によって求められ
た定数マトリックス、pwr は各ブロックの電力値であ
る。尚、最小可聴レベルとは特定の周波数の音はそれ以
上レベルが小さいと人には音として近くされないという
レベルを指す。

【００２６】そしてこの場合も先の公報の技術と同様に
数４による比例配分により各サブバンドのビットの総和
が転送レートによって決められた値となる用にビットを
配分していた。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】ところでサブバンド符
号化方式における上記２種類の適応的なビット割当手法
には以下に示すような問題点があった。

【００２８】（１）一般に割り当てるビット情報量の総
和が不足すれば量子化雑音は増加することが知られてい
るが、従来方式では転送レートの制約等によるビット情
報の不足による符号化音質の劣化が著しいという問題点
があった。

【００２９】例えば波形歪みを最小にしようとするビッ
ト割当手段を施した場合、各帯域に割当てるビットが少
なくなれば急激に白色雑音が増加する。もし、ある帯域
にビット情報量を集中的に割当てたとしても残りの帯域
に割当てる情報が枯渇すればその帯域の信号の不連続性
により符号化音質が極端に劣化するという問題点もあっ
た。

【００３０】また、人の聴覚のマスキング効果を利用し
たビット割当手法によっても割当てるビット情報量の不
足による符号化音質の劣化は著しく、特にこの手法では
冗長的にビット情報が必要であることが知られている。

【００３１】（２）従来方式では人のマスキング効果を
利用したビット割当を行う場合、マスキング閾値レベル
から理論的に必要なビット情報量を算出し、転送レート
から算出されるビット情報量の総和を超えないようにな
るべく均一的になるように必要ビット量に応じてビット
配分を行うわけであるが、ビット割当を行う都度、マト
リックス演算等の計算が必要となり、処理負荷が増大す
るという問題点があった。

【００３２】尚、ここで言うマスキング閾値レベルと
は、ある周波数（帯域）の信号に対し、人の聴覚上聞こ
えなくなる閾値レベルを指し、前記従来方法ではmpwr_i
がｉ番目の周波数の閾値レベルとなる。

【００３３】本発明はこれら従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであり、低い転送レートにおいて符号化音
質の改善されたサブバンド符号化装置を提供することを
目的とするものである。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明は、音声信号等の
デジタル信号を複数の帯域に分割する帯域分割フィルタ
と、該フィルタの出力ブロック毎の電力を求めそれを量
子化する電力算出手段と、該電力算出手段からの出力を
前記出力ブロック毎に適応量子化する量子化手段と、こ
の電力の量子化値により前記各帯域毎の量子化ビットを
適応的に制御する量子化ビット数制御部とを備えたサブ
バンド符号化装置において、前記量子化による波形歪み
を最小にするための理論ビット割当数を基準とし、人の
聴覚のマスキング効果によるビット割当補正を行うもの
である。

【００３５】そして、前記電力の量子化値に対応した基
準電力値を有する試験信号を用いた実験結果に基づいて
ビット割当テーブルを作成し、該テーブルに基づいて前
記ビット割当補正を行なうことが望ましい。

【００３６】

【作用】先述したように入力されたデジタル音声信号を
忠実に再生するには、符号化時の波形歪みを最小にする
ことが重要であるが、波形歪みを最小にしようとするビ
ット割当を行う符号化手段では人の聴覚特性であるマス
キング効果により、聞こえない帯域の信号成分の情報ま
で含んでしまい冗長となる。上記の本発明構成によれば
符号化時の波形歪みを最小にしつつ、聴覚のマスキング
効果により冗長となる帯域のビット情報量を他の帯域に
振り分けるように補正し、低ビット転送レートにおける
少ない情報量で且つより良好な符号化音質が得られる。

【００３７】またマスキング効果による補正を行う場合
には、そのつどマスキング閾値レベルから理論的にその
帯域に必要なビット情報量を算出することなく処理量の
軽減化が図れる。

【００３８】

【実施例】以下本発明のサブバンド符号化装置をその一
実施例について図面に基づき詳細に説明する。

【００３９】１はＱＭＦ(Quadrature Mirror Filter)
で、入力音声をサンプリング周波数の１／４の周波数で
高域と低域に分け、該サンプリング周波数の１／２にダ
ウンサンプリングするもので、本実施例ではＱＭＦ１を
２段に用いることで入力音声を４つの帯域に分割すると
共に該ＱＭＦ１の出力をベースバンドに落としている。

【００４０】２は前記化区帯域毎に帯域分割された音声
を数サンプル毎（例えば１２８サンプル毎）にブロック
にまとめ、そのブロック内の電力を計算する電力算出手
段である。

【００４１】３は計算された電力を

【００４２】

【数９】

【００４３】に量子化する電力量子化手段で、実際には
電力を２進数で表し、最も左に１の立っているところを
探し、それが右から何ビット目であるかを調べ、その値
から１を引き２で割ることによって各帯域毎のσ_i の値
を求める。

【００４４】４は１ブロック内の電力が１になるように
正規化する正規化手段で、この手段によってダイナミッ
クレンジの広いデジタルの音声信号に対して精度良く量
子化することが可能となるものである。

【００４５】５は各帯域の量子化器で用いる量子化ビッ
ト数を割り当てる量子化ビット制御部で、各帯域のσの
値を用いて

【００４６】

【数１０】

【００４７】により割り当てるものである。６は量子化
ビット数制御部５で割り当てられた量子化ビット数に応
じて正規化手段４で正規化された信号を量子化する信号
量子化手段、７は各帯域の量子化された符号及び補助情
報σ_i を多重化するマルチプレクサである。

【００４８】８は前記マルチプレクサ７からの信号を各
帯域の符号及び補助情報σ_i に分割するデマルチプレク
サである。９は量子化ビット数制御部５と同様にビット
割当を計算する復号化ビット数制御部、１０は各帯域の
量子化された信号を復号化する信号復号化手段、１１は
各帯域毎の電力を復号化する電力復号化手段、１２は復
号化された電力を用いて正規化されている信号を基に戻
す逆正規化手段である。

【００４９】１３は復号化側のＱＭＦであって、帯域分
割されてダウンサンプリングされている信号をアップサ
ンプリング及び帯域結合するものである。上記の構成を
有する実施例装置において、次に適応ビット割当方法を
説明する。適応ビット割当の処理は前記量子化ビット数
制御部５及び復号化ビット数制御部９で行われる。

【００５０】これにはまず前記数１０により、符号化時
の波形歪みが最小になるように仮のビット配分が決定さ
れる。このとき実際にはＲ_i の値により比例配分的に各
サブバンドのビット数の総和が４Ａとなるようにビット
配分する。

【００５１】ここで説明の便宜上サンプリング周波数８
ｋＨｚにおける低い方から２番目の帯域のビット割当に
ついて詳しく説明する。図２はマスキング効果によるビ
ット割当補正に必要な特製曲線の測定データを示すもの
である。同図において縦軸のレベルはσの値に対応す
る。そして図中破線は最小可聴域の閾値曲線である。
尚、本実施例では、サブバンド符号化方式における各帯
域の中心周波数の純音(sin波) を用いて測定した。

【００５２】前記特性の測定方法について説明すると、
まず各純音についてその実効電力値が

【００５３】

【数１１】

【００５４】になるような試験音を作成しておき、実際
に何人かの人にこれを視聴して貰い、各周波数毎にレベ
ルを変化させてみて聞こえるか否かの判定を行う方法で
ある。前記図２において真四角の測定点は測定者全員に
よるレベル閾値であった。従って、補正処理の第１段階
として、各帯域においてレベル閾値未満の電力であれ
ば、その帯域に割り当てるビット情報量は最低単位の１
ビット割当で良いことが決定される。この場合ビット割
当なしでは不連続音発生の原因となることに注意しなけ
ればならない。

【００５５】またこのとき各試験音は量子化電力値σに
対応しているので、ビット割当の補正はσの値による条
件分離処理となり、極めて処理量の小さいものとなる。
次に補正処理の第２段階を行う。これは表１に示すビッ
ト割当テーブルを用いた補正である。

【００５６】

【表１】

【００５７】この表１は入力周波数が４ｋＨｚの場合の
第２帯域（１〜２ｋＨｚ）のビット割当テーブルを示
し、第２帯域のビット割当は第１帯域（０〜１ｋＨｚ）
のレベル（マスカーレベル）にのみ影響を受ける（マス
クされる）と仮定している。そして表中−はビット割当
無し、０はビット割当補正無し、＋１、＋２は夫々ビッ
ト割当補正を１ビット増し、２ビット増しを意味する。
但し、実際には前述の理由（不連続音発生）によりビッ
ト割り当て無しと判定しても最低単位のビット割当を行
うことになる。

【００５８】例えば前記図２のように一番低い帯域に矢
印の実線で示したように、マスキング効果により低い方
から２番目の帯域の可聴レベル閾値がσ＝２からσ＝６
のレベルに上昇する場合、一番低い帯域にσ＝１１レベ
ル以上の信号成分が存在しており、２番目に低い帯域の
信号成分がσ＝６未満であれば、その帯域には最低単位
のビット割当を行えば良く、余ったビットは他の帯域に
振り分けられる。

【００５９】他の帯域についても同様に処理が行われる
が、各試験音は量子化電力値に対応しているので、ビッ
ト割当の補正はσの値による条件分岐処理となり、極め
て処理量の小さいものとなる。尚前記図２の測定結果は
５人の健聴者による測定結果である。

【００６０】このように処理を行うことによって従来の
ようなビット割当の逐次計算を行うことなく第１帯域の
基準電力値及び第２帯域の基準電力値から参照されるビ
ット割当補正が行える。

【００６１】従って、処理負荷は小さくなるが、（１）
ビット割当を基準電力値に帰着させること、（２）第２
帯域の信号は第１帯域の信号によってのみマスクされる
こと、等の工夫をしないと表１のテーブルが大きくなり
過ぎる惧れがある。

【００６２】これに対して、（３）基準電力値を閾値レ
ベルとした時の場合により条件分岐を行い、ある条件で
は最低ビット割当とし、それによって余ったビットを第
２、第１、第３、第４帯域の順に割当を行うこと、を行
えばテーブルを大きくせずに処理が行える。

【００６３】図３は特に音質評価結果に基づき、第２帯
域についての処理の流れをフローチャート化（ステップ
Ｓ１〜Ｓ７）したものであり、図を見れば一目瞭然であ
るから詳細な説明は省略する。

【００６４】以上いくつかの実施例を挙げて本発明装置
を説明したが、ビット割当の処理負荷は従来装置、本実
施例ビット割当テーブル方式、本実施例条件分岐方式の
順に軽減化される。そして処理が軽くなった分、場合の
数が減少し、ビット割当の精度が悪くなるが、分割帯域
数が少ない場合や、冗長度に対して割り当てるビットの
総数が少ない場合は、ビット割当精度の劣化による符号
化音質の低下は少なく、有利な装置であるといえる。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明のとおり、本発明により低い
転送レートにおいて符号化音質の改善されたサブバンド
符号化装置が製作可能となり、且つビット割当に必要な
処理量の低減化によりハードウェア規模の小さい、低コ
ストでコンパクトな装置が提供できる効果が期待でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例を説明するためのブロッ
ク図である。

【図２】人のマスキング効果による適応ビット割当補正
方法を説明するための特性図である。

【図３】条件分岐の方法を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 帯域分割及び低域変換（ＱＭＦ）フ
ィルタ ２ 電力算出手段 ３ 電力量子化手段 ４ 正規化手段 ５ 量子化ビット数制御部 ６ 信号量子化手段 ７ マルチプレクサ ８ デマルチプレクサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音声信号等のデジタル信号を複数の帯域
   に分割する帯域分割フィルタと、該フィルタの出力ブロ
   ック毎の電力を求めそれを量子化する電力算出手段と、
   該電力算出手段からの出力を前記出力ブロック毎に適応
   量子化する量子化手段と、この電力の量子化値により前
   記各帯域毎の量子化ビットを適応的に制御する量子化ビ
   ット数制御部とを備えたサブバンド符号化装置におい
   て、前記量子化による波形歪みを最小にするための理論
   ビット割当数を基準とし、人の聴覚のマスキング効果に
   よるビット割当補正を行うことを特徴とするサブバンド
   符号化装置。
2. 【請求項２】 前記電力の量子化値に対応した基準電力
   値を有する試験信号を用いた実験結果に基づいてビット
   割当テーブルを作成し、該テーブルに基づいて前記ビッ
   ト割当補正を行なうことを特徴とする上記請求項１記載
   のサブバンド符号化装置。