JPS60116000A - 音声符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は音声符号化方式に係り、特には周波数帯域制限
や送信電力の制限のきびしい通信システムに適用して有
効な音声符号化方式に関する。

（背景技術） ディジタル海事衛星通信システムや５ｃｐｃによるディ
ジタル・ビジネス衛星通信システムなどのように周波数
帯域の制限や送信電力の制限のきびしいシステムにあっ
ては、低ビツトレートであって高品質な符号化処理音声
が得られ、しかも、伝進符号誤りの影響が非常に少ない
音声符号化方式が要求される。

このような背景から、従来より、１６ＫＢＰＳ適応予測
音声符号化方式が他の符号化方式に比較して品質のよい
符号化処理音声が得られるものとして注目され、提案が
なされている。

第１図は、この種の従来例であって、プリエンファシス
・ディエンファシス法と呼ばれ、音声信号の広域部分の
量子化雑音を音声信号成分より小さくしてヒス雑音を低
減し、符号化処理音声の品質を改善しようとするもので
ある。第１図の従来例は次のように動作する。

アナログ・バンド・パス・フィルタとＡ／Ｄ変換器とを
介して入力されたディジタル音声帯域信号は、符号入力
端子ｌよりプリエンファシス器２に入力され、広域部分
の強勢がなされる。この出力信号をスペクトラム分析器
３を用いてフレーム毎にスペクトル分析し、上り時間ス
ペクトラム予測器４の予測フィルタ係数をめる。短時間
スペクトラム予測器４においては、フレーム毎に新しく
設定された予測係数を用いて、プリエンファシス器２の
出力のサンプル値に対する予測値を計算し、プリエンフ
ァシス器の出力から引算器５により残差信号をとりだし
、これを適応量子化器６を用いて量子化し、符号化する
。更に、この符号化された信号を適用逆量子化器７を用
いて、量子化された残差信号をとりだし、これに前記予
測値を加算器８を用いて加算し１次の予測値を得るため
に予測器４に入力する。一方、符号化された信号は予測
係数の情報と多重化のための多重回路９を介して符号器
出力端子１０から送出する。復号器においては、符号器
から送られてきた信号を復号器入力端子１１を介して多
重分離回路１２に入力し、予測係数に関する信号と残差
信号に関する符号化信号とに分離する。残差信号に関す
る符号化信号から適応逆量子化器１３を用いて、量子化
された残差信号を得、これに加算器１５を用いて予測器
１４からの出力である予測値を加算する。これを更に１
６のディエンファシス器に通して復号化された音声帯域
信号な復号器出力端子１８から得る。

この信号をＡ／Ｄ変換器とアナログフィルタに通すこと
により符号化処理されたアナログ音声帯域信号が得られ
る。プリエンファシス器２は、プリエンファーシス用デ
ィジタルフィルタ２′と引算器２“かラナリ、１６のデ
ィエンファシス器ハティエシファシス用ディジタルフィ
ルタ１６′と加算器１７から構成されている。

本従来例の４．シ徴は、これらのプリエンファシス、デ
ィエンファシス器によって符号化対Ｍされた音声の品質
を改善している。すなわち、音声帯域信号の高域の量子
化雑音成分を小さくし、高域ヒス雑音をおさえ、品質を
向上している。しかしながら、このプリエンファシス、
ディエンファシス器内のディジタルフィルタ２，１６の
係数は一般に固定であることから、常に音声信号に適応
した特性を得ることができず一大幅な品質改善は得られ
ないという欠点を持っている。

なお、本従来例においては残差信号の符号化のために２
ビツト、予測係数に関する情報の符号化のために２８ビ
ット程度を用いるのが一般的である。

第２図は他の従来例であって、雑音整形フィルタを用い
て、量子化雑音に音声信号に適応した周波門特性を持た
せ、音声信号の高域でのヒス雑音をおさえ、音声品質の
改善を行っている。

すなわち、適応量子化器５の出力から適応逆量子化器６
を介して量子化された残差信号を得、これから適応量子
化器５の入力を引算器２１を用いて差引き、量子化雑音
をめ、雑音整形フィルタ２２に入力する。

雑音整形フィルタ２２は、ディジタルフィルタで構成さ
れており、量子化雑音のスペクトラム分布を整形するも
ので、その伝達関数のＺ変換をＦ　（ｚ）＝Σ＆Ｌｒ”
Ｚ−”　で与える。

ゐ！１ ここで、Ｎは予測器のタップ数、ａはｉタップ目の予測
係数、ｒはＯ＜ｒ＜１の一定定数で音声品質が良くなる
ように選択される。これにより符号化処理された音声信
号の主観的な音声品質を改善している。しかし量子化雑
音などによる音声品質劣化を十分に小さくすることはで
きない。この理由は２２の雑音整形フィルタを導入して
ｌ／）るため、この雑音整形フィルタ２２を介して量子
化雑音が帰還されることになり、適応量子化器５の人力
信号の振幅分布や′電力が用意さ７゛イａ・る適応量子
化器５の量子化特性からずれるため、大きな量子化雑音
を発生することになるからである。

また、この量子化雑音や９．１号器と復号器との間の伝
送路で発生する伝送符号誤りによって加算器１５と復号
器１４とが構成している巡回形ディジタル−フィルタが
発振状ｍ１あるいは発振状ｉＧに近くなり、音声品質が
著しく劣化する欠点を持ってｌ、％る。なお、第２図の
基本的動作は第１図と同様であるので詳細は省略した。

（発明の課題） 本発明は、−に述した従来技術の欠点を解決するために
なされたもので、ビ・ントレートに変更することなく低
ビツトレートで、かつ高品質の符号化処理音声を得るこ
とのできる音声符号化方式を提供することを目的とする
。

（発明の構成および作用） 第３図（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の一実施例である。

先ず、動作を説明する。ディジタル入力信号は符号化入
力端子３４を介してフレーム毎に短時間スペクトラム分
析（ＬＰＧ分析）を行ない、ＬＰＣパラメータをＬＰＧ
パラメータ符号器３６に介して符号化し、多重回路６２
を介して受信側の復号器へ伝送する。

更に、これをＬＰＧパラメータ復号器３７を介して予測
係数を得る。これに短時間スペクトル予箱器３８を構成
するディジタルフィルタの夕・ンプ毎に異なった荷重を
行ない、新たにこれを予測係数とする。すなわち、予測
フィルタ３８のＺ変換Ｉル された伝達関数をＰ（ｚ）＝、Ｘ、ａヵＺとし、 ａル　−αλβ” とする。ここで、Ｎはタップ数、ａλはｉタップ目の予
測係数で、α尤はＬＰＧ分析の結果の後、符号復号化に
よってよられた予測係数である。βは荷重を示す一定定
数でＯくβく１の範囲の伯である。なお、ａλ′の予Ａ
１１係数は局部復号用のスペクトル予測器５５．５１３
および雑音整形フィルタに対しても使用する。ａ、ｉ、
（、’　＝　１−Ｎ）を係数とする短時間予測器３８の
予測出力を人力信号から引算器４３を介して差引き、１
０時間スペクトル残差信号を得る。ここでの残差信号は
ピッチ周期以外の単待間での相関が取り除かれている。

この信号を基にピッチ分析′ｘ３８を介し、ピッチパラ
メータ符号器は、音声に対してピッチ周期ＮＰとピッチ
周期に対応した相関をめ、長時間スペクトル予測器４２
のための予測係数を計算する。長時間スペクトル予測器
４２においては、音声信号がピッチ周期に対応してほぼ
同一の波形がくり返されることを利用して、ピッチ周期
と予測係数と短面間予４１す器３８の出力信号−を用い
て予測値を計算する。以」二の短時間予測値と長時間予
測値を人イ＾号力ら差引くことにより、引算器４４の出
力における残差信号を理想的に白色化することができる
。なお、ピッチパラメータ符号器４０で符号化されたピ
ッチ周期と予Ｊｉｌｔ係数は多重回路６２を介して受信
側に伝送される。

白色化された引算器４４の出力信号からは、雑音整形フ
ィルタ５１の出力を引算器４９を用いて差引き、最終残
差（６号としてこれを適応量子化器４８で量子化し符号
化する。この適応量子化器４９には最終残差信号の分散
が１である時に最適なすなわも、量子化雑音を最小とす
る量子化ステップサイズを基本ステップサイズとして有
する。従って、最終残差信号の分散が１でない時には量
子化特性を劣化させることとなる。この劣化を補償する
のが、ＲＭＳ計算回路４５であり、ここで計算されたＲ
ＭＳ値を基本ステップサイズに掛は合せればそのＲＭＳ
値に最適な量子化ステップサイズをめられるし、このＲ
ＭＳ値を参照して分散が１となるように最終残差信号を
制御してもよい。

基本ステップサイズとしてはガウス分布やラプラス分布
など最終残差信号の振幅分布の性質を考慮して複数種類
用意することが品質向上の」二で望ましい。しかしなが
ら、引蜀、器４８の出力点における最終残差信号は、白
色化された信号から、周波数特性を有する雑音整形フィ
ルタ５１の出力信号が差引かれた形となっているから、
理想的な分布はしていない。したがって、最適な量子化
ステ、アブサイズをめるには以降の一連の処理が必要と
なる。

ここでは、サブフレーム毎に早−子化ステンプサイズを
更新することとする。

サブフレーム更に桟差信壮のＲＭＳ値を４５のＲＭＳ計
算回路を介して（！Ｉ、更にこれをＲＭＳ値符号器４６
　、　ＲＭ］ｆｉ復号器４７を通し、量子化されたＲＭ
Ｓ値をめる。この■ＩのＲＭＳ値符号器４６の出力レベ
ルをこの基準レベルとし、併せて近傍のレベルを栢号器
内に記憶しておく。

まず、この基準レベルに対応した量子化されたＲＭＳ値
を基準ＲＭＳ値とし、適応量子化器４８のステップサイ
ズを決定する。この後に、残差信号から雑音整形フィル
タ５１の出力を引算器４８を用いて差引き、最終残差信
号−としてこれを適応量子化器４８で電子化し、マ、１
号（ｂする。更に符号化された信号を適応逆り量子化器
５０に通し、量子化された最終残差信号を得、これから
、量子化される前の最終残差信号を引算器５２を介して
差引き、量子化雑音を得る。これを雑音整形フィルタ５
１に入力する。更に、この量子化された最終残差信号に
局部復号用長時間スペクトル予Ｍｉ１１器５５の出力を
加算器５３を介して加算する。更に、これを５５に入力
するとともに局部復吟用知昨間スペクトル予測器５６の
出力を加算器５４を介して加算し、これを５６に人力す
る。局部復号信号端子５７には局部的に復号された入力
信号が得られる。

これと入力信号との差を誤差信号として引算器５８を介
してめる。サブフレーム間に渡って、この誤差信号の電
力を５８の誤差信号電力比較器内で計算する。ここで、
同様な一連の動作をあらかじめ用意されている全ての基
本ステップ・サイズに対して、その各々に対応した誤差
信号゛出力を５９で計算し、記憶しておく。更に、基準
ＲＭＳレベルの近傍のあらかしめ決められた数のすへて
のＲＭＳレベルに対して各々ステップサイズをめ、これ
を適応量子化器４８に設ｙし、（す瓜基本スデンプサイ
ズの場合と同様に前記の一連の処理を実施し、各々の場
合に対応した誤差信号電力を計算し、記憶しておく。あ
らかじめ決められた基準およびその近傍のＲＭＳ値と用
意されている基本ステップのすべての組み合わせに対応
して得られた誤差信号電力のうち、最小なものを与える
ＲＭＳ値と基本ステップサイズとから、これらを最適量
子化パラメータとし、ＲＭ　Ｓ　４ｆ４符号器４６を介
して多重回路６２から受信側の復号器へ送信する。また
、基本ステップサイズに対しては、これに対応した符号
語をステップサイズ符号器を介して多重回路８２から受
信側の復す器へ送信する。

一方、復号器では従来の方式と同様に動作させればよく
、復号器入力端子６４を介して最終残差信号に関する信
号、ＲＭＳイ〆（に関する信号、基本ステップサイズに
関する信号およびピッチ・パラメータに関する信号とに
多重分路回路６５を用いて分離する。ＲＭＳ値復号器Ｇ
７を用いてＲＭＳ値を復号し、これと基本ステップサイ
ズ信畦復号器８Ｂを介して得られた基本ステップサイズ
とを適応逆量子化器８８に設定する。これをもとに受信
された最終残差信号に関する信号を適応逆量子化器６８
を用いて復号し、量子化された最終残差信号を得る。一
方、ＬＰＧパラメータ復号器７０を介して得られた予測
係数を短時間スペクトル予４１１１器７４に設定し、更
に、ピッチパラメータに関する信号に対しては、ピッチ
パラメータ復号器６８を介して、ピッチ周期と予ｆｌｌ
ｌ係数を得、これを長時間スペクトル予測器７３に設定
する。長時間スペクトラム予測器７３からの予測出力を
適応逆量子化器６８の出力に加算器７１を介して加Ω」
７、予測器７３に入力すると共にこれに更に短時間スペ
クトル予測器７４の予測出力を加算器７２を介して加算
して、復号された音声帯域信号を得る。

これを予測器７４に入力すると共にＤ／Ａ変換し、アナ
ログ音声帯域フィルタに通ずることによって符号化処理
された音声信号が得られる。このように入力信号と局部
復号化された信号との誤差信号の電力をサブフレーム内
で最小となるよう適応量子化パラメータを選択している
ことから適応電子化器４８は復号化された時に雑音が最
小となるよう最適な量子化特性を与え、雑音電力は最小
と押えられ、υ−も雑音整形フィルタ５１によりその雑
音スペクトラムが音ｐｉ品質に主観的な劣化をグーえな
いよう制御されていることになる。この結果、符号化処
理された１゛７声品質は従来の方式に比較して著しく改
善される。

この効果は、１６ＫＢＰＳのビットレートレーションに
よっても確められている。尚、ここの説明では、適応量
子化パラメータとしてＲＭＳ値と基本ステップサイズを
仮定して説明したか、どちらか一方だけをパラメータと
してＮ（変じ、誤差信号電力をめ、これを最小とする最
適なパラメータの値をめてもよい。また、局部復号用予
測器の予測係数も可変して、各々の場合に対応した誤差
信号の内の最小値を与える最適な予測係数として符号器
で用いるとともに受信側復号器に伝送してもよい。また
、サブフレーム毎に適応量子化器パラメータの選択なら
びに誤差電力を最小としたが、これをフレームｉＩｆに
行なってもよい。

−に記の説明のごとく、符号器側で復号後の誤差信号電
力が最小となるよう最適量子化されていること、予測係
数はタップ位置とともに小さな値となる荷重が伺けられ
ていることから、伝送符号誤りに帰因した残差信号内雑
音が復号器内短時間スペクトル予測器７４と加算器７２
とで構成する巡回形ディジタルフィルタに加わっても発
振状態は発生せず、非常に安定した符号化処理音声を得
ることができる。旦も従来の符号誤りにより発生した雑
音に対して、等測的に主観評価改善のためのフィルタと
して作用することから、本方式では従来の伝送誤りによ
る雑音の音声品質に与える影響に比較して、十分にその
影響が小さくなっている。尚、ｌＯ−３の伝送符号誤り
率を持った伝送符号誤りの影響を１８Ｋｂｉｔ／Ｓ符号
化速度のシミュレーションしてみると、この符号誤りに
よる劣化はほとんど感じられないことが確認された。こ
の結果、本方式により従来にない高い品質の符号化処理
音声が得られ、旦も海事衛星通信システムのようなフェ
ージングのために伝送符号誤り率が著しく劣化し、１０
−３あるいはこれ以上となる系においても安定した音声
品質がｉｌＪられることがら、このようなデジシタル回
線を用いた電話伝送のために非常に有効で、Ｕ．もその
効果は大である。

第４図は本発明の第２の実施例を示すものである。前記
の第３図における最終残差信号を得る過程までは同一で
あるので説明を省略する。また、復号器は第３図の復！
土器と回−の構成でよいのでこれについて構成と説明は
省略する。第２の実施例の第１の実施例との相異点は局
部復号な行なわず適応量子化器からのＩ１１ｒ化雑音の
みを図４の９８からとりだし、量子化外音′電力を晶１
算する埴子化雑音電力検出器８０を設けた点にある。す
なわち、適応量子化パラメータである基準ＲＭＳ値とそ
の近傍のＲＭＳ値及びあらかじめ用意された複数の種類
の基本ステップサイズの組み合せに対して、各々量子化
雑音電力を８０で計算し、量子化雑音電力を最小とする
ＲＭＳ値及び基本ステップサイズを６０にて選択し、そ
のＲＭＳ値を４６及び多重回路６２を介して受信側復号
器へ送信する。更に、基本ステップサイズに対しては６
１のステップサイズ信号符号器と多重回路６２を介して
符号器出力端子６３から受信側復号器へ伝送する。この
パラメータで対応量子化された４８の出力の符号化信号
を多重回路６２を介して端子６３から受信側復号器へ送
出する。

−に記に説明したように適応量子化器に対して量子化雑
音が最小となるよう適応量子化パラメータを選択して量
子化しており、従来の方式の欠点を除くことができる。

第３図の実施例に比較すると局部復号しない為、回路構
成は簡単になるが符号化処理された音声品質は第３図の
実施例に比較してわずかに劣る。

本発明を実施例をもとに説明したように、局部復号化さ
れた信号を入力信号との誤差信号の電力を最小とするか
あるいは適応量子化器の量子化雑音電力を最小とするよ
う適応量子化パラメータを選択することにより非常に高
品質な符号化処理音声が得られる。また、この時、予測
器にタップ毎に異なる荷重をかけた予測係数を用いるこ
とにより、伝送符号誤りに強い適応予測符号化方式が実
現でき、海亀衛星通信システムなどへの応用においてそ
の効果は非常に大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の適応予測符号化方式にお−いてプリエン
ファシス・ディエンファシスを用いた原理ブロック図、 第２ＵＡは従来の適応予測符号化方式において雑音整形
フィルタを内臓させた場合の原理プロ、アク図、 第３図（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施例を示すブロッ
ク図、 第４図は本発明の他の実施例を示すブロック図である。 （符号の説明） ３４−ｍ−符号器入力端子、 ３５−−−　Ｌ　ＰＧ分析器、 ３Ｂ　−−−ＬＰＧパラメータφ吟器、３？　−−−Ｌ
　ＰＧパラメータ復号器、３８−一一短時間スベクトル
予１１１１器、３８−ｍ−ピッチ分析器、 ４０−−−ピッチパラメータ符号器、 ４１−−−　ピッチパラメータ復号器、４２−一一長時
間スベクトル予測器、 ４３−ｍ−引算器、　４４−ｍ−引算器、４５−−−　
ＲＭＳ計算回路、 ４Ｂ　−−−ＲＭＳ値符号器、 ４７−−−　ＲＭＳ値復号器、 ４８−ｍ−適応量子化器、４９−ｍ−引算器、５０−ｍ
−適応逆量子化器、 ５１−ｍ−雑音整形フィルタ、　５２−ｍ−引算器。 ５３−ｍ−加算器、　５４−ｍ−加算器、５５−一一局
部復号用長時間スベクトル予測器、５６−−−局部復号
局部時間スペクトル予測器、５７−−−局部復号信号端
子、５８−−一引算器、５９−ｍ−最小誤差電力検出器
、 ｆｉＯ−−−ＲＭＳ値基本ステップサイズ選択器、８１
−ｍ−基本ステップサイズ信号符号器、６２−−一多重
化回路、　６３−ｍ−符号器出力端子、６４−−一復号
器入力端子、　６５−ｍ−多重分離回路、６Ｂ−ｍ−基
本ステップサイズ信号復号器、ｅ７−−−　ＲＭＳ値復
号器、 ６８−ｍ−適応逆量子化器、 ６９−ｍ−ピッチパラメータ復号器、 ７Ｑ　−−−ＬＰＧパラメータ復号器、７１−ｍ−加算
器、　７２−ｍ−加算器、７３−ｍ−長時間スペクトラ
ム予測器、７４−−一知時間スペクトラム予測器、７５
−−一復号器出力、 ８０−ｍ−最小量子化雑音電力検出器。 特許出願人 国際電信電話株式会社 特許出順代理人 Ｊｒ理士　山本恵−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも、入力信号の予測値を作成する予測器
   と、該予測値と前記入力信号との差分信号をめ該差分信
   号を符号化する量子化器と、該量子化器の出力信号を逆
   量子化して前記差分信号を復元する逆量子化器と、該逆
   量子化器の出力信号と前記量子化器の入力信号との差分
   を量子化雑音として抽出して該量子化雑音を整形した後
   前記量子化器の入力に帰還するスペクトラム整形手段と
   、前記量子化器の量子化ステップを該量子化器の人力信
   号の性質に応じて変更する手段とを有することを特徴と
   する音声符号化方式。
2. （２）前記量子化器の量子化ステップが前記量子化雑音
   の電力が最小となるように適応的に変更されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の音声符号化方式。
3. （３）前記量子化器の量子化ステップが前記逆量子化器
   の出力信号と前記入力信号の予測値との和信号と前記入
   力信号との差が最小になるように適応的に変更されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の音声符号化
   方式。
4. （４）前記入力信号の予測器の予測係数が前記人力信号
   をスペクトラム分析した結果束められた係数に重み付け
   がなされていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   、第２項または第３項記載の音声符号化方式。