JPS60172847A - 適応予測符号化方式 - 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】 この発明は例えば音声信号を適応的に符号化特性を変化
させて予む＋ｌＩ符号化する庖応予測符〜弓化方弐に関
するものである。

〈従来技術〉 従来の適応予測符号化方式は入力信号の過去の数標本値
から緑形予測される値と、現在の久方標本値との差（予
測残差）全符号化して伝送する方式であるいこの方式で
は背戸信号のような非定常な入力信号に対しては、信号
の統計的性質に合致するように予測器における予測係数
や童子化器における量子化幅を適応的に変化させること
により、信号対量子化雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上を図る
ことが提案されている。しか１、従来の適応予測符号化
方式で電話品質と同等の品質を達成するためには３２Ｋ
ｂ／ｓ以上の情報速度が会費となり、１６Ｋ　ｂ　／　
ｓ以下の情報速度ではＳｌＮ比が急減に劣化し、品質の
面からも量子化雑音による劣化が著しく不十分であると
言わざるを得なかった。

このような低い情報速度における適応予測符号化の性能
劣化を大幅に改善する方式として適応ビット割当て予測
符号化方式が提案されている（特願昭５６−１７７５６
４　）。この方式では童子化器の量子化ビット数と量子
化幅とを、残差信号電力の周波数方向と時間方向との両
方向での偏シに応じて適応化し、まだ予測器における予
測標本値は近接相関に基づく複数標本値と、ピッチ相関
に基づく単標本位とを用いて予測残差の低減を図ってい
る。

このようにこの方式では周波数方向に適応的にビット数
を割当てるため強調される周波数帯域が時間的に変動し
、符号化品質の自然性が欠如するという欠点があった。

また周波数帯域分割を行うため、帯域分割フィルタにお
けるたたみ込み等のために遅延時間が増大し、それに伴
うメモリ等のハードウェア規模□も大きくならざるを得
なかった。

さらに予測器をパーコー）ｂはしご形フィルタで構成し
た場合の上記適応予測符号化方式は予測係数としてのパ
ーコール係数の制御が煩雑であるという嬌点があった。

〈発明の概要〉 この発明の目的は情報速度が比較的低い８〜１６Ｋ　ｂ
　／　ｓの領域でも自然性に優れた高品質な音声信号の
伝送を可能とし、かつ遅延時間が短く、小規模なハード
ウェアで実時間処理可能な適応予測符号化方式を提案す
るものである。

この発明によれば、入力信号の適応予測符号化の予測器
部分で近接相関予測とピッチ予測とを同時に行うことに
よシ、−予測残差を低減し、かつそのピッチ予測を複数
標本値で行うことによシ、１標本値からのピッチ予測で
低減されない時間節分で大幅に予測残差を低減できる。

また入力信号を周波数帯域分割することなく、入力信号
から直接予測を行うため遅延時間を短かくシ、帯域分割
フィルタで要していたハードウェアの規模を小さく□す
ることができる。また時間軸を周期的に分割して得られ
る各区間での予測残差の平均振幅を検出して上記予測符
号化における量子化器の量子化ビット数（量子化レベル
数）と必要に応じて量子化幅とを時間方向に適応的に変
化して量子化誤差を低減できる。更に上記予測符号化に
おける近接予測係数を符号化の局部復号信号から逐次的
に適応化し、まに復号化における近接予測フィルタを上
記予測符号化回路と同様に構成すれば近接予測係数を伝
送する必要がなくなる。

〈実施例〉 以下この発明による適応予測符号化方式の実施例を図面
を参照して説明する。入力端子１からのディジタル信号
とされた標本化入力・信号は適応予測符号化部２におい
て適応予測符号化され、この予測符号化部２は予測残差
信号を量子化して送出する。

適応予測符号化部２は例えば第２図に示すように入力信
号の近接相関にもとづく予測器１２と、ピッチ相関にも
とづく予測器１３とから成る。予測信号は１０回路１４
で両予測器１２．１３からのそれぞれの予測値のａをと
゛ることによって得られる。予測残差信号は差回路１５
で端子１からの入力信号と和回路１４からの予測信号と
の差をとることによって得られ、その予測残差信号は量
子化器１６で量子化されて端子１６ａより第１図の伝送
符号化部１０へ入力され、伝送符号化部１０で符号化さ
れた出力は伝送路１１へ送出される。

第２図に示すように量子化器１６の出力は逆量子化器１
７にも供給され、これで復号化された後、和回路１８で
予測器１２の予測値との和がとられて予測器１２に帰還
される。更に和回路１８の出力の一部は和回路１９で予
測器１３からの予測値との和がとられて予測器１３へ帰
還される。

予測器１２はこの実施例では最急降下法による逐次、予
測フィルタで構成した場合である。その構成要素は近接
相関予測値算出部２０と近接相関予測値算出部２１と１
から構成される。その近接相関予測係数更新都２０にお
ける予測係数ａ　ｉ（ｔ＋１）は逆量子化器１７の出力
符号ｓｇｎ（ｅ（ｔ））　（ｓ　ｇｎはｅ　（ｔｌの正
負の符号を示す）と和回路１８の出力ｔ−５ｆ号ｓｇｎ
　（Ｘ　ｉ　）とから次式によって与えられる。

ａｉ　（ｔ＋１）＝（１−Ｌａ）＆１（ｔ）＋Ｃａ　ｓ
ｇｎ（ｅ（ｔ））　ｓｇｎ（Ｘ（ｔ−ｉ）） ｉ＝１　、２　、・・・、Ｐ こ＼でＡａはリーク定数、Ｃａは利得定数である。

近接相関予測値算出部２１で出力される予測値は次式で
与えられる。

ｘ　５（ｔｌ＝＝　５　ａｉ−ｘ（ｔ−ｉ　）１−１ 一方、予測器１３は時間遅れ要素２２とピッチ予測値算
出部２３とから成シ、時間遅れ要素２２はピッチ周期（
入力信号の基本周期）と予”測次数から定まる時間遅れ
を表わす。予測値算出部２３で出力される予測信号は次
式で与えられる。

ｊ＝ｘ　、　２　、・・・・Ｑ こ＼でαｊは端子２３ａよシ与えられるピッチ予測係数
、Ｘ（ｔ）は予測器１３への入力となる局部復号化信号
、ｄは時間遅れ要素２２の時間遅れを表わす。このよう
にピッチ予測はピッチ周期前の複数の標本値から予測し
ており、つま、シ高次子測であシ、その次数Ｑは例えば
２又は３程度とされる。

第２図の予測器１３におけるピッチ予測係数αｊはこの
例では入力信号に応じて適応化される。そのためにピッ
チ予測値算出部２３を動作させる前にピッチ予測係数α
ｊを算出しておく必要がある。

第１図に示すようにピッチ検出部３において入力信号か
らその信号のピッチ周期（基本周Ｊｍ、）Ｔｐが検出さ
れる。そのピッチ周期Ｔｐはτ標本値離れた分析フレー
ム（分析単位で一般に２０〜５Ｑｍｓ）内での入力信号
の平均、つまシ自己相関係数を（但り、、Ｎ：分析フレ
ーム内の標本数）によ請求め、τｍｉｎ≦τ≦τｍａｘ
の範囲で平均ｒ（τ）が最大となるτの値としてめる。

例えば１ｍ１０は１６程度、τｍａｘは１１６程度にさ
れる。こ軸出したピッチ周期Ｔｐで第２図中の時間遅れ
要素２２の遅れ時間ｄが制御される。艷にピッチ予測係
数αｊはピッチ予測値算出部４でｒ　（ｔｌ　を用いて
次の正規方程式の解として与えられる。

この方程式の解αｊは第２図中の端子２３ａを通じてピ
ッチ予測値算出部２３が制御される。

第１図において逆フイルタ部５では入力端子１の入力信
号からの残差信号（第２図中の加算器１５の出力予測残
差信号と対応した信号）をめる。

逆フイルタ部５の内部はその１つを例えば第３図に示す
ようにピッチ予測にもとづく逆フイルタ部２４と近接相
関にもとづく逆フイルタ部２５との縦続接続から成シ、
第２図中の予測符号化部と同様な予測フィルタで構成さ
れている。ピッチ予測にもとすく逆フイルタ部２４では
入力信号が時間遅れ要素２６、ピッチ予測ｉ１ｆ算出部
２７を通ったものと、これらを通らないものとの差が加
算器２８でとられ、その出力は近接相関にもとづく逆フ
イルタ部２５に入力され、近接相関予測値算出部２９に
入力される。算出部２９で算出された予測値と加算器２
８の出力との差が加算器３１でとられて逆フィルタ、５
の出力とされる。加算器３１の入力と出力とは近接相関
予測係数更新部３０へ供給され、近接相関予測係数が演
算されて近接相関予測係数が演算されて近接相関予測値
算出部２９へ供給される。ピッチ予測値算出部２７へは
端子２７ａを通じて第１図中のピッチ予測値算出部４か
らのピッチ予測係数が入力される。時間遅れ要素２６、
近接相関予測係数更新部３０などは第２図中の予測符号
化部中の時間遅れ要−素２２、近接相関予測係数更新ｓ
２０などとそれぞれ同一である。

第１図において逆フイルタ部５の出力は部分区間設定部
６へ入力され、その残差信号の時間的局在性にもとづい
て部分区間の位置が検出される。

部分区間は第４図で示すようにピッチ周期Ｔｐ　を等間
隔に分割し、各区間が周期的に繰り返すように設定され
る。部分区間の位置は分析フレームの始めから第１番目
の部分区間の先頭までの時間長Ｔｄによって指定される
。位ＩＴｄはピッチ検出部３で検出されたピッチ周期Ｔ
ｐの範囲で分析フレームの始めからの自乗平均の最大と
なる標本値を検出し、その標本値から部分区間長の１７
２の時間長だけフレームの始めに戻った標本点と分析フ
レームの始めとの時間長として検出する。

第１図中の平均振幅算出部７では各部分区間での残差信
号の平均振幅を次式によ請求める。

ｉ＝ｌ、２．・・・Ｌ こ５で’ｌ’ｉ、１Ｖｉｉはｉ査目の部分区間とそれに
含まれる残差信号の標本数を表わす。Ｌは時間分割数で
ある。量子化ビット数適応化部８では平均振幅Ｖｉから
量子化ビットを決定する演算を行う。量子化ビット数は
与えられる残差信号に対する平均ビットレートに対して
量子化によって生じる復号化信号の波形歪を發小にする
ように定められ、各部分区間の量子化ビット数は次式で
与えられる。

こ＼でＲは残差信号に対する平均ビットレート、ｃｉは
分析フレーム長に対する各部分区間の時間長比率を表わ
す。

量子化幅適応化部９では残差信号の平均振幅ｖｉと量子
化ビット数ｂｉとから非線形量子化器１６の△１＝ｖｉ
Ｑ（ｂｉ） こ＼でＱ（ｂｉ）は平均０、分散１の信号をｂｉビット
で量子化する場合の量子化誤差を最小にする量子・化幅
を表わし、信号の確率分布に依存して定められる。

伝送路符号化部１０では量子化された残差信号とパラメ
ータ情報、すなわちピッチ予測係数αｊ１部分区間の周
期ＴＰ％位置Ｔ、ｄ、残差信号の平均振幅ｖｌとを符号
化して伝送路１１へ送出する。

このようにして適応予測符号化された符号系列から信号
を復号する例を第５図に示す。伝送路３２よ逆入力され
た符号系列は符号系列分離部３３において残差信号の符
号系列とパラメータティ報の符号系列として分離され、
復号化部３４においてパラメータ情報が復号化される。

量子化ビット数適応化部３５においては復号化された平
均振’ｌ＠ｖｔから先に述べた方法で量子化ピッ）　ｔ
）ｉを算出し、これに基づいて符号系列分離部３６で（
づ：残差信号の符号系列を標本値単位の符号に分離する
。量子化幅適応化部３７では先に述べた方法で量子化幅
△ｉを平均振幅Ｖｉから算出し、これに基づいて復号化
部３８において符号系列分離部３６からの残差信号を復
号化する。予測復号化部３９は第５図に示すように近接
相関に基づく予７測フィルタ４０とピッチ相関に基づく
予測フィルタ４１とから成シ、予測フィルタ４０及び４
１はそれぞれ第２図の予測器１２．１３と同様に近接予
測係数更新部４２、加算器４３、予測値奔出部４４及び
時間遅れ要素４６、ピッチ予測値算出部４５、加算器４
７、でそれぞれ構成され、近接相関予測係数は加算器４
３の入力と出力から逐次的に推定し、ピッチ予測値ｊに
山部４５では復号化部３４で復号されたピッチ予測係数
αＪを用いる。

第２図中の近接相関予測器１２における近接予測係数ａ
４を和回路１８の前後の値から最急降下法によって近接
予測係数更新部２０において逐次的に推定しだが、例え
ば逆量子化器１７で予測残差信号を復号し、その復号信
号からパーコール係数を逐次的に更新する多段のはしご
形ディジタルフィルタを用いて予測器１２を構成しても
良い。また第１図の端子１からの入力信号から直接にパ
ーコール係数又は予測係数を分析し、これらによシはし
ご形ディジタルフィルタ又は予測フィルタよりなる近接
予測器１２のフィルタ係数を制御することによシ、予測
信号を得るようにしても良い。

この場合には上記分析して得られたパーコール係数又は
予測係数をも′調号器側に伝送する。なお予測符号化部
２で予測フィルタが用いられる場合にハ逆フィルタ部５
においても予測フィルタラ用イる。

く効　果〉 以上説明したように、この発明による適応予測符号化方
式は、ピッチ予測を＆１．数の標本値を用いて高次予測
しているだめ、同一条件でのシミレーションによれば、
従来の周波数方向と時間方向とに適応ビット割当てを行
う適応予測符号化方式に比べて信号対量子化雑音電力比
が約２ｄＢ改善され、主観品質の面からは自然性に優れ
ておシ、従ヲ１（の電話品質が１６Ｋｂ／ｓの情報速度
で達成できる。また符・復号化に要する遅延時間は上記
従来の適応予測符号化方式に比べて、帯域分割、合成フ
ィルタによるた＼み込みが不要であるため、遅延時間が
１／３程反短縮可能である。更にこの発明をディジタル
信号処理で装置化する場合にも帯域分割、合成に伴う種
々の処理を必妄としないことや近接相関予測係数の制御
を符・復号器の局部復号信号の符号で行うことができる
だめ、処理がし易くなシ、ハードウェアの規模も小さく
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による適応予測符号化方式の構成例を
示すブロック図、第２図は第１図中の予測符号化部２の
具体例を表わす構成図、第３図は第１（２）中の逆フイ
ルタ部５の具体例を表わす構成図、第４図は部分区間の
設定方法を示す説明図、第５図は復号化部の構成例を示
すブロック図である。 １：入力端子、２：適応予測符号化部、３：ピッチ周期
検出部、４：ピッチ予測係数算出部、５：逆フイルタ部
、６：部分区間設定部、７：平均振幅算出部、８：量子
化ビット数適応化部、９：量子化幅適応化部、１０：伝
送路符号化部、１１：伝送路、１２：近接相関に基づく
予測器、１３：ピッチ相関に基づく予測器、１４，１５
．１８，１９：加與器、１６：量子化器、１７：逆量子
化器、２０：近接相関予測係数算出部、２１：近接相関
予測値）算出部、２２：ピッチ周期時間遅れ要素、２３
：ピッチ予測［成算山部、２４：ピッチ相関に基づく逆
フィルタ、２５：近接相関に基づく逆フィルタ、２６：
ピツチ周期時間遅れ要素、２７：ピッチ予測値算出部、
２８．３１：加算器、２９：近接相関予測値算出部、３
０：近接相関予測係数更新部、３２：伝送路、３３：符
号系列分離部、３４：パラメータ情報復号部、３５：童
子化ビット数適応化部、３６：残差信号符号系列分離部
、３７：量子化Ｉｔ’：ｊｉ　＊　Ｌ’ｈ化部、３８：
残差信号の神号化部、３９：予測符号化部、４０：近接
相関に基づく予測フィルタ、４１：ピンチ相関に基づく
予測フィルタ、４２：近接相関予測係数更新部、４３．
４７：加算器、４４：近接相関予測値算出部、４５：ピ
ツチ予測ｆ＝算出部、４６：ピツチ周期時間遅れ要素。 特許出願人　日本電信電話公社 代理人　草野　卓 １２　口 丼　３　図 オ　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力信号を一定時間間隔で標本化し、標本値を取
   出す手段と、現在の標本値に対してその標本値に近接す
   る複数の過去の標本値及びその入力信号の基本周期離れ
   た複数の標本値を用いて予測し、現在の標本値とその予
   測値との間の差分信号を取出す手段と、信号の平均振幅
   の時間的局在性を検出する手段と、この検出された時間
   的局在性によシ上記予測符号化における量子化レベル数
   を上記時間的局在性について符号化前後の板子化誤差が
   小さく々るように適応的に割当てる手段と、その割当て
   られたレベルで上記差分信号を一泣子化する手段とを具
   備する適応予測符号化方式。