JPS61158218A - 信号伝送装置 - Google Patents

信号伝送装置

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JPS61158218A
JPS61158218A JP27850484A JP27850484A JPS61158218A JP S61158218 A JPS61158218 A JP S61158218A JP 27850484 A JP27850484 A JP 27850484A JP 27850484 A JP27850484 A JP 27850484A JP S61158218 A JPS61158218 A JP S61158218A
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Masayuki Nishiguchi
正之 西口
Kenzo Akagiri
健三 赤桐
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、PCM信号のようなアナロク信号をティジタ
ル化した信号を一定ワード数苺ζこブロック化して伝送
する信号伝送装置に関し、特に、各ブロック毎にフンバ
ンディング処理を行って伝送ビットレートの低減を図っ
た信号伝送装置に関する。
〔従来の技術〕
近年において、アナログのオーディオ信号やビデオ信号
等をサンプリング(標本化)して量子化および符号化処
理を行い、いわゆるPCM(パルス・コード・モジュレ
ーション)信号として伝送あるいは記録・再生すること
が多くなっている。
このようなPCM信号等を伝送あるいは記録・再生する
に際して、例えば20 kHz程度の帯域と90dB程
度以上のS/Nを得るために、サンプリング周波数fS
を44.1kHzとし、1ワード1700にビット)以
上にも達する極めて高いものとなる。
ところで、上述のようなオーディオ信号やビデオ信号の
ようなアナロク信号をA/D変換して得られたティジタ
ル信号においては、その統計的性質が偏りを持つことや
視聴覚現象からみて重要度の低い部分があることを利用
して、情報量を圧縮することが可能であり、例えば差分
・和分処理や圧縮・伸張処理(コンバンディング処理)
を行っても信号の品質劣化が極めて少ないことが知られ
ている。
このような点を考慮し、本件出願人は先に、例えばディ
ジタルPCM信号に対して、一定時間単位あるいは一定
ワード数毎にブロック化するとともに、各ブロック毎に
差分処理等の予測処理やコンバンディング処理を行って
伝送あるいは記録・再生することを、特願昭58−97
687〜9号、特願昭58−163054号、特願昭5
8−166267号あるいは特願昭58−210382
号等において提案している。
これらの技術においては、各ブロック毎に少なくとも1
ワードの基準データ、例えばストレートPCMデータを
設けており、この基準データに基いて例えば差分データ
を順次加算する等の演算処理を行うことによって、ブロ
ック内の元のサンプリングデータ(ストレートPCMデ
ータ)を全て復元可能としている。また、上記コンバン
ディング処理としては、入力データの再量子化を行うと
ともに、このときの量子化誤差の予測値を帰還(いわゆ
るエラー・フィードバック)してノイズ・シェイピング
処理を施すことが提案されており、この量子化誤差の予
測処理は、瞬時S/Nを劣化させないために、上記信号
の予測処理とは分離して行うことが望ましい。この場合
、上記再量子化の際の再量子化ビットの元のデータ・ビ
ットに対する取り出し位置、いわゆるレンジング位置は
、ノイズ・シェイピング処理前のデータに基いて決定さ
れる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが、信号の予測処理とノイズの予測処理とを分離
した場合に、高次のノイズ・シェイピングを行うように
なってくると、帰還されたエラーが重畳された信号を再
量子化する際にオーバーフロラが発生する虞れがあり、
このオーバーフロラにより異音発生等の悪影響が生ずる
本発明は、このような実情に鑑み、信号とノイズの予測
処理を分離して行わせながら、エラー帰還による再量子
化の際のオーバーフロラを起こりに<<シ、異音の発生
等の悪影響を防止し得るような信号伝送装置の提供を目
的とする。
〔問題点を解決するための手段] 上述の問題点を解決するために、本発明の信号伝送装置
は、入力ディジタル信号を時間軸に沿って一定ワード数
毎にブロック化し、各ブロック毎の信号に対して予測処
理を施す手段と、この予測処理された信号を再量子化す
るとともに量子化誤差いわゆるエラーを帰還してノイズ
・シェイピング処理を施す手段と、上記予測処理された
信号のブロック内の最大絶対値に1以上の係数γを乗算
し、この乗算結果に基いて上記再量子化の際の再量子化
ビット堆り出し位置(レンジング位置)を決定する手段
とを有することを特徴としている。
〔作用〕
予測処理された信号のブロック内の最大絶対値に対し、
帰還されるエラー量を考慮して、予め1以上の係数γを
乗算しておき、この乗算結果に基いて再量子化の際のレ
ンジング位置を決定しているため、帰還エラーが重畳さ
れた信号を再量子化する際のオーバーフロラが生じにく
くなる。
〔実施例〕
概略的な構成 先ず、本発明が適用される信号伝送装置の一例となるオ
ーディオ・ビットレート・リダクション・システムの全
体の概略的な構成について、第1図を参照しながら説明
する。
この第1図のシステムは、伝送側(あるいは記録側)の
エンコーダ10と、受信側(あるいは再生側)ミ殆−ダ
30とより成り、エンコーダ10の入力端子11には、
アナログ・オーディオ信号を周波数fSでサンプリング
し、量子化および符号化を施して得られるオーディオP
CM信号x(nlが供給されている。この入力信号x(
nlは、予測器12および加算器13にそれぞれ送られ
ており、予測器12からの予測信号x (nlは、加算
器13に減算信号として送られている。したがって、加
算器13においては、上記入力信号x (nlから上記
予副信号X(川が減算されることによって、予測誤差信
号あるいは(広義の)差分出力d(nl、すなわち、d
(川= x (nl −x (nl         
・・・・・・・・・・・・・・・■が出力される。
ここで、予測器12は、一般に過去のp個の入力x(n
−p)、x(n−p+1)、・・・、X(ロー1)の1
次結合により予測値x(nlを算出するものであり、 ただしαk(k=1. 、2 、・・・、p)は係数と
なる。したがって、上記予測誤差出力あるいは(広義の
)差分出力d (nlは、 と表せる。
また、本発明においては、入力ティジタル信号の一定時
間内のデータ、すなわち入力データの一定ワード数l毎
にブロック化するとともに、各ブロック毎に最適の予測
フィルタ特性が得られるように上記係数αにの組を選択
している。これは、後述するように、互いに異なる特性
の予測器、あるいは加算器も含めて差分出力(予測誤差
出力)を得るためのフィルタが複数設けられているとみ
なすことができ、これらの複数の差分処理フィルタのう
ちの最適のフィルタを上記各ブロック毎に選択するわけ
である。この最適フィルタの選択は、複数の各差分処理
フィルタか轟力のブロック内最大絶対値(ピーク値)ま
たは最大絶対値(ピーク値)に係数を乗算した値を、予
測・レンジ適応回路21において互いに比較することに
よって行われ、具体的には各最大絶対値(またはその係
数乗算値)のうち値が最小となるような差分処理フィル
タが当該ブロックに対して最適のフィルタとして選択さ
れる。このときの最適フィルタ選択情情は、モード選択
情報として、予測・レンジ適応!2 回路21から出力され、予測器Hに送られる。
次に、上記予測誤差としての差分出力d(川は、加算器
14を介し、利得Gのシフタ15と量子化16とよりな
るビット圧縮手段に送られ、例えば浮動小数点(フロー
ティング・ポイント)表示形態における指数部が上記利
得Gに、仮数部が量子化器16からの出力にそれぞれ対
応するような圧縮処理あるいはレンジング処理が施され
る。すなわち、シフタ15は、ディジタル2進データを
上記利得Gに応じたビット数だけシフト(算術シフト)
することによりいわゆるレンジを切り替えるものであり
、量子化器17は、このビット・シフトされたデータの
一定ビット数を取り出すような再量子化を行っている。
次に、ノイズ・シェイピング回路(ノイズ・シェイパ)
17は、量子化器16の出力と入力との誤差分いわゆる
量子化誤差を加算器18で得て、この量子化誤差を利得
o−1のシフタ19を介し予測器20に送って、量子化
誤差の予測信号を加算器14に減算信号として帰還する
ようないわゆるエラー・フィードバックを行う。このと
き、予測・レンジ適応回路21は、上記選択されたモー
ドのフィルタからの差分出力のブロック内最大絶対値に
1以−トの係数γを乗算した値に基きレンジ情報を出力
し、このレンジ情報を各シフタ15および19に送って
ブロック毎に上記各利得GおよびG を決定している。
また、予測器20については、予測・レンジ適応回路2
1からの上記モード情報が送られることによって特性が
決定されるようになっている。
したがって、加算器14からの出力d(川は、上記差分
出力d(nlよりノイズ・シェイパ17からの量子化誤
差の予測信号e(nlを減算したd(川= d (nl
 −e (nl         ・・・・・・・・・
・・・・・・■となり、利得Gのシフタからの出力d 
(n)は、d(nl=G−d(川          
・・・・・・・・・・・・・・・■となる。また、量子
化器16からの出力/aX(nlは、量子化の過程にお
ける量子化誤差をe(川とすると、8(川=(i(nl
+e(川         ・・・・・・・・・・・・
・・・■となり、ノイズ・シェイパ17の加算器18に
おいて上記量子化誤差e(n)が取り出さ−れ、利得o
−1のシフタ19を介し、過去のr個の入力の1成績合
をとる予測器20を介して得られる量子化誤差の予測信
号e (nlは、 となる。この0式は、上述の0式と同様の形となってお
り、予測器12および20は、それぞれシのFIJ有限
インパルス応答)フィルタである。
これらの0〜0式より、量子化器16からの出力d (
nlは、 仝(nl−G・(d(lτj’l)+e(n)= G 
−d(nl+e(nl−Σβに−e(n−k)・曲・■
1(=1 この0式の仝(ロ)に上記0式を代入して、’ f’l
 = G (x(nトΣαに−x(n−k))△ となり、この出力d (n)が出力端子22を介して取
り出される。ここで、上記X(川、e(nl、d(川の
Z/゛\ 変換をそれぞれX(Zl 、 E(Zl 、 D(Z)
トfると、+E(zl(1−Σβに−2) k=] 一〇−X(Zl(I  P(Zl)十E(Z)(I  
R(zl)−■となる。
なお、予測・レンジ適応回路21からの上記レンジ情報
は出力端子23より、また上記モード選択情報は出力端
子24よりそれぞれ取り出される。
次に受信側あるいは再生側のデコーダ30の入力端子3
1には、上記エンコーダ10の出力端子へ 22からの出力d(川が伝送され、あるいは記録・再生
されることによって得られた信号を1川が供給されてい
る。この入力信号介1n)は、利得G−のシフタ32を
介し加算器33に送られている。加算器 器33からの出力x (nlは、予測器34に送られて
予測信号x (n)となり、この予測信号X(川は加算
器33に送られて上記シフタ32からの出力企1川と加
算される。この加算出力がデコード出力(ゝ1n)とし
て出力端子35より出力される。
また、エンコーダ10の各出力端子23および24より
出力され、伝送あるいは記録・再生された上記レンジ情
報およびモード選択情報は、デコーダ30の各入力端子
36および37にそれぞれ入力されている。そして、入
力端子36からのレンジ情報はシフタ32に送られて利
得G を決定し、入力端子37からのモード選択情報は
予測器34に送られて予測特性を決定する。この予測器
34の予測特性は、エンコーダ10の予測器12の特性
に等しいものが選択される。
このような構成のデコーダ30において、シフタ32か
らの出力争7raは、 仝τn)−猾。1.G−・      61.1610
.61010.5゜/\l であり、加算器33の出力x(nlは、x (n) =
 d fnl +x (n)      ・・・・・・
・・・・・・・・・0となる。ここで、予測器34は、
エンコーダ10の予測器12に等しい特性が選択される
ことより、であるから、■)、0式より、 となる。次に、◇in+ 、仝1・)の・変換をそれぞ
れり′(・)1合1・)とすると、 したがって、 となる。ここで、伝送路や記録媒体にエラーが無いとし
て、’D ’(zl = D(z)とすると、上記0式
および[相]式より、 となる。
この0式より、量子化誤差E(zlに対してG のノイ
ズ低減効果が得られることが明らかであり、このときデ
コーダ出力に現れるノイズのスペクトル分布をN(zl
とすると、 となる。
また、このようなシステムにおいて、上記Gは上記ブロ
ック内の最大絶対値に関係する値で正規化するように作
用するものであるが、このGは周波数特性を有している
。ここで、説明を簡略化するために、上記Gを、 G=Gp−G、         ・・・・・・・・・
・・・・・・0のような2つの要素GpとGfの積とし
て表す。
これらの2つの要素のうち、opは上記予測フィルタ処
理による予測ゲイン、すなわち瞬時S/Hの改善量を意
味し、Gfは上記レンジング処理によるゲイン・コント
ロール量、すなわちダイナミック・レンジの拡大量を意
味する。したがって、Gpは、入力信号周波数に依存し
、入力信号レベルには依存しないのに対し、Gf は、
入力信号周波数には依存せず、入力信号レベルに依存す
ることになる。またGpは、 のS/N改善量を有し、また予測誤差を得るための差分
処理フィルタの伝達関数1−P(z)の逆関数となるよ
うな周波数特性を有しており、このときのノイズ・スペ
クトルは上記[相]式のようになる。
G(に関しては、上記ブロック毎に選択されたモードに
おけるブロック内最大絶対値で正規化するような準瞬時
圧伸に対応している。
このような全体の構成を有するシステムにおいて、本発
明の要旨は、上記シフタ15の利得Gやシフタ19の利
得G 等を決定するための予測・=15− レンジ適応回路21において、選択された上記差分処理
フィルタからの出力d (nlのブロック内の最大絶対
値(ピーク値)に対して、フィードバック・エラー量を
考慮した1以上の係数γを乗算し、この乗算された値に
基いてシフタ15や19等の利得を決定することである
具体的な構成例 次に第2図は、上記第1図に示したオーディオ・ビット
レート・リダクション・システムのエンコーダ10のよ
り具体的な構成例を示し、第1図の各部と対応する部分
には同一の参照番号を付している。
この第2図において、上記予測器12としては、複数個
、例えば4個の予測器12A、12B、12C,12D
が設けられている。これらの予測器12A〜12Dから
の予測出力は、減算信号としてそれぞれ加算器13A〜
13Dに送られ、元の入力信号から減算される。すなわ
ち、それぞれ4個ずつの予測器12A〜12D′j6よ
び加算器13A〜13Dにより、4系統の予測誤差を得
るための4個の差分処理フィルタが構成されている。こ
こで、各予測器12A〜12Dは、見かけ上それぞれ2
次の構成を有し、係数αl、α2として、予測器12A
がKl、に2、同12Bかに8.に4、同12Cかに3
 、 Ka、同12Dかに7. Ksを有しているが、
所望の予測器の係数の少なくとも1個をOとすることに
より、1次以下の予測特性を得ることができる。したが
って、上記4個の差分処理フィルタについても、見かけ
上はそれぞれ2次差分をとる構成となっているが、所望
の差分処理フィルタについて1次以下の差分をとる特性
(ストレートPCMデータを出力するものも含む)を得
ることが可能である。
これらの各差分処理フィルタからの出力、すなわち各加
算器13A〜13Dからの出力は、それぞれlワード遅
延回路41A〜41D、[よび最大絶対値ホールド回路
42A〜42Dに送られており、lワード遅延回路41
7V〜41Dからの各出力は、モード切換スイッチ回路
43の各被選択端子a −dに送られている。すなイっ
ち、前記1ブロツクがeワードであるから、gワード遅
延回路41八〜41Dにおいては、1ブロツク分の遅延
が行われ、この遅延が行われている間に、各最大絶対値
(ピーク)ホールド回路42A〜42Dにおいて前記ブ
ロック内最大絶対値が検出されるわけである。これらの
ブロック内最大絶対値は、予測・レンジ適応回路21に
送られて互いに比較され、その値が最小となるものが選
択される。このとき、各ブロック内最大絶対値にそれぞ
れ所定の係数を乗算していわゆる重み付けを行った後に
比較してもよい。予測・レンジ適応回路21は、上記各
差分処理フィルタからのそれぞれ1ブロツク分のデータ
のうちの上記最小のブロック内最大絶対値が得られる1
ブロツク分のデータを選択するためのモード選択情報を
出力し、このモード選択情報が切換スイッチ回路43に
送られることによって、上記選択された1ブロツク分の
データを出力する遅延回路への切換接続が行われる。切
換スイッチ回路43からの出力は、加算器14に送られ
る。
また、予測・レンジ適応回路21からの上記モード選択
情報は、予測器20および出力端子24にも送られてい
る。ここで、予測器20は、例えばデコーダ出力に現れ
るノイズ(前記[相]式参照)をホワイトとするために
、予測器12A〜12Dのうちの上記選択されたものに
等しい特性のものが選択される。すなわち、予測器20
も見かけ上2次の予測器構成を有しており、係数βl、
β2に対応する係数Ka、Kbは、予測器12A〜12
Dの各係数の組Kl、に2〜に?、に8のうちの上記モ
ード選択により指定された差分処理フィルタの予測器の
係数に等しいものが選ばれる。
また、第3図に示されたデコーダ30の具体例において
、予測器34は、第2図の予測器12A〜12Dに対応
して見かけ上2次の構成を有しており、各係数Kc 、
 Kdとしては、上記予測器12A〜12Dの係数の組
Kl、 K2〜Kq、に8のうちのいずれか一組が入力
端子37からのモード選択情報に応じて選択されるよう
になっている。
これらの第2図および第3図の他の構成は、前述した第
1図と同様であるため、説明を省略する。
なお、以上のような具体的構成を有するエンコーダ10
やデコーダ30のハードウェア構成としては、例えば複
数個の予測器12A〜12D等を現実に設ける必要はな
く、1個の予測器の係数を時分割的に切り換えて用いれ
ばよく、さらには、エンコーダ10やデコーダ30全体
をDSF(ディジタル信号プロセッサ)やメモリ等から
成るシステムによりソフトウェア的に実現できることは
勿論である。
第1の実施例 ここで、本発明の第1の実施例として、入力端子11に
供給されるオーディオPCM信号のサンプリング周波数
fsを18.9 kHzとし、1ワード16ビツトで1
ブロツクのワード数eを28ワードとし、量子化器16
において、1ワード4ビツトのデータに再量子化する場
合について詳細に説明する。このときの上記2次の予測
器12A〜12Dの各係数の組Kl、に2〜Kq 、 
Ksとしては、例えば、 l ’lA :Kl=1.8426.に2=−0,86
4912B : Kg =0.875  、  K4 
=012 C: Ks =1.5155 、  K6=
−0,8112D : Kq=O、、に%−〇 のように予め設定しておく。このときの上記各モードの
差分処理フィルタの伝達関数1− P (z)は、A 
: 1−1..8426Z−+〇、8649z−2B:
1−0.875z C: 1−1.51552−1+0.812”D:1 となり、これらの各差分処理フィルタの周波数特性は、
第4図の各曲線へ〜Dのようになる。
すなわち、特性臼ilAに対応する差分処理フィルタ(
予測器12Aと加算器13Aとより成る)が2次差分P
CMモードに相当するフィルタであり、低域の予測ゲイ
ンすなわち瞬時S/Nの改善量が大きい。特性曲線Bに
対応する差分処理フィルタ(予測器12Bおよび加算器
13B)は1次差分PCMモードに相当するフィルタで
あり、また、特性曲線Cに対応する差分処理フィルタ(
予測器12C,gよび加算器13C)は中域の予測ゲイ
ンが大きくなっている。予測器12Dおよび加算器13
Dより成る差分処理フィルタは、係数に?。
Kψ5共に0であることより、第4図の特性曲線りに示
すよう(0周波数特性を持たず基準利得1のいわゆる単
なるフラット・パス特性となっており、ストレートPC
Mモードに相当している。
第5図は、1ブロツク毎に伝送されるワード構成の具体
例を示し、再量子化された1ワード4ビツトで28ワー
ドのオーディオ・データ・ワードWO〜W2qと、1ワ
ード16ビツトから4ビツトへのブロック毎の再量子化
の際の4ビツトの取り出し位置を示すいわゆるレンジ情
報ワードWR(!:、上記4つのフィルタに対応する4
モードのうちのいずれが選択されたかを示すモード選択
情報ワードWMとカ月ブロック毎に伝送される。したが
って、伝送されるオーディオ・データ1ワード肖りの平
均ビット数は、 (4X28+4+2)÷28出4.214[bit]と
なる。
この第4図において、単一の正弦波信号が入力される場
合には、入力信号周波数が0からf、までは特性曲線A
のフィルタが、周波数がflからf2までは特性曲線C
のフィルタが、また周波数がf2からfs/2程度まで
は特性曲線りのフィルタがそれぞれ選択される。なお入
力信号の周波数のfs/2以上については、いわゆるエ
リアシング防止のため、A/D変換前にLPF(ローパ
スフィルタ)により予め除去されることは勿論である。
このようにして選択された各フィルタの周波数応答がそ
の周波数での予測ゲインすなわち瞬時S/Nの改善量と
なり、周波数に対する瞬時S/Nの改善量は第4図の斜
線部のようになる。
ただし、実際のオーディオ入力信号は複合スペクトルの
信号であるため、上述のような明瞭な境界による選択は
行われず、特性曲線Bのフィルタも比較的頻繁に使用さ
れる。
また、上述のフィルタ選択は、各モードのフィルタから
のブロック内最大絶対値(ピーク値)をそのまま比較し
た場合に行われるものであるが、各モードのブロック内
ピーク値に対してそれぞれ所定の係数を乗算して比較す
ることにより、低次のフィルタあるいはストレートPC
Mデータを出力するフィルタをより多く選択するように
してもよい。この場合、上記係数の一例としては、特性
Aのフィルタからの2次差分PCMデークのピーク値に
は係数2を乗算し、特性りのフィルタからのストレー)
PCMデータのピーク値には係数0゜7を乗算し、他の
フィルタからのデータのピーク値には係数1を乗算して
(あるいは係数を乗算せずに)、各値を互いに比較し、
その値が最小となるようなフィルタを選択する。このよ
うな係数の乗算は、第4図のグラフ内の対応する特性曲
線を縦軸方向に平行移動させる(レスポンス値を変える
)ことに対応し、例えば特性曲線Aのフィルタからのピ
ーク値に係数2を乗算することは、特性曲線Aを第4図
内で約6dB 上方に平行移動させることに相当する。
したがって、結果的には、フィルタ切換周波数flやf
2が低周波側に移行することになり、特性Nのフィルタ
に比べて特性Cのフィルタがより頻繁に、また特性Cの
フィルタに比べて特性りのフィルタがより頻繁に選択さ
れることになる。
なお、デコーダ側では、入力された1ブロック分のオー
ディオ・データ・ワードWO〜W27が上記レンジ情報
ワードWRのデータに基いてシフタ32によりブロック
単位で伸張処理あるいはエンコーダ側とは逆のレンジン
グ処理が施され、次に加算器33と予測器34より成る
フィルタにおいて、上記モード選択情報ワードWMのデ
ータに基いてブロック単位で逆子側処理が施され、元の
ストレートPCMデータが復元される。
さらに5本発明の要旨に関連するレンジング位置、すな
わちシフタ15の利得Gに応じて定まる再量子化の際の
16ビツトから4ビツトを取り出す位置は、予測・レン
ジ適応回路21内において、選択されたモードの上記差
分処理フィルタからの出力のブロック内ピーク値に1以
上の係数γを乗算した値に基いて決定される。
この第1の実施例のシステムによれば、低〜中程度の忠
実度の音質の伝送が可能となり、通常の音声信号等を極
めて低いビットレート(1ワード当り4.214ビツト
、1チャンネル当りの伝送ビットレート約79.6にビ
ット/秒)で伝送することができる。
第2の実施例 次に、中〜高忠実度(ミドル−ハイ・ファイ)の音質で
の音楽信号伝送が可能なシステムの例として、第4図の
特性曲線A、B、Dに対応する予測係数を有する3種類
のフィルタを用い、サンプリング周波数fsを上記第1
の実施例の倍の37、B kHzとする場合について説
明する。他の具体的数値および具体的構成は、上記第1
の実施例と同様とする。
この場合、上記3種類のフィルタの周波数特性は、サン
プリング周波数fsが倍となったことに伴って、第6図
の特性曲線A、B、Dのようになる。すなわち、特性曲
線りはストレートPCMモードに、特性曲線Bは1次差
分モードに、特性曲線Aは2次差分モードにそれぞれ対
応する。
ところで、量子化器16において1ワード16ビツトか
ら4ビツトへの再量子化を行う際に、所定位竜の4ビツ
トを取り出すわけであるが、本発明の先行技術において
は、シフタ15でノイズ・シェイピンク処理前のデータ
すなわち選択されたモードのブロック内ピーク値に基い
てレンジ(ビット・シフト量)を決定していたため、ノ
イズ・シェイパ17からのフィードバック・エラーが加
算器14にて重畳されることにより、特にレンジング処
理の際に取り出されるビットの最大値に近いデータ入力
時において、データがオーバーフロラする虞れがあった
これを防止するため、本発明においては、選択されたモ
ードのブロック内のピーク値(最大絶対値)に対して所
定の1以−Hの係数γを予め乗算し。
この乗算結果をピーク値とみなしてレンジング位置すな
わち16ビツト中の4ビツトの取り出し位置を決定して
いる。このよう(0真のピーク値の上記所定数γ倍の値
によってレンジング位置が決27一 定されるため、ノイズ・シェイパ17からのエラーが帰
還されても、上記オーバーフロラが発生しにくくなる。
この場合、上記係数γは、選択されたモードの予測器特
性に応じて設定しておくことが好ましい。
ここで、ノイズ・シェイパ17内の予測器20は、差分
処理用の予測器12A〜12Dに等しい特性のものがモ
ード選択に応じて選択されることより、ストレートPC
Mモード時には、第2図の係数Ka 、 Kbが共にO
となり、エラー・フィードバック量が0となってノイズ
・シェイピングの影響はなく、係数γ−1とすればよい
。また、1次差分モード時には、ノイズ・シェイピング
処理を施した後のエンコーダ出力でのノイズ・スペクト
ルが第6図の特性曲線Bに等しくなる点を考慮して、γ
中1.14とすればよく、2次差分モード時には、第6
図の特性曲線Aを考慮して、γキ1.33とすればよい
すなわち、上記1次差分モード選択時において、エンコ
ーダ出力でのノイズ・スペクトルは概略第7図のように
なる。これは、4ビツトで再量子化するときの瞬時S/
Nが約24 dBであることより、フル・スケール(4
ビツトで表現可能な最大レベル)を基準のQdBとする
とき、ノイズ・シェイピング前のノイズ・レベルが−2
4,6B となり、これに1次子測のエラー・フィード
バックによるノイズ・シェイピング処理が施されて、第
7図の斜線部に示すようなスペクトル分布のノイズ・レ
ベルとなる。したがって、周波数fS/ 2近傍のノイ
ズ・レベルはノイズ・シェイピング前のレベルに比べて
約6dB持ち上げられることになり、これが上記オーバ
ーフロラを起こす原因となる。
これは、ノイズ・シェイピング前の量子化ノイズの振幅
分布が上記再量子化された4ヒツトのLSl 、 Bの上方ヒツト内でランダムであることより、これの1
次差分をとるときのノイズの最大振幅は、十−LSB−
(−LLSB)=+ILSB一−LSB−(+ILSB
)−一1.LSBより±I L S Bとなり、これが
fs/2付近での約5 dBの持ち上りに対応する。し
たがって、無人力時でも+5dBのノイズを伝送するこ
とになり、4ビツトのフル・スケールのOdBに対して
fs/2付近で約−]8dBの位置にノイズのピーク値
が存在し得ることになる。ここで、−18dBは約帆1
25であるから、信号のピーク値を1−0゜125、す
なわち0.875倍に抑えれば、ノイズ・シェイピング
によるオーバーフロラを未然に防ぐことができる。した
がって、レンジング位置決定のためのピーク値に対する
乗算係数γとしては、110.875血1,14とすれ
ばよい。
次(乙上記2次差分モード選択時のレンジング位置決定
用のピーク値に対する乗算係数γについては、第6図の
特性曲線Aのfs/2付近での持ち上りが約+12dB
であることより、4ビツト再量子化のフル・スケールQ
dBに対してノイズ・レベルのピーク値は約−12dB
の位置に存在し得ることになる。−12dBは約0.2
5であるから、信号のピーク値を1−0.25 =0.
75倍に抑えることによって、ノイズ・シェイピングに
よるオーバーフロラを防止でき、上記係数γは170゜
75より、約1633となる。
ところで、信号が急激に変化することによって、再量子
化の際のレンジング位置が急激に変化する場合に、前の
ブロックのノイズが次のブロックにくり越されることに
よってオーバーフロラを生ずることがある。これは特に
、ブロックの境界近傍で信号レベルが急激に低下した場
合に生じ易く、このとき、レンジング位置すなわち再量
子化のための4ビット取り出し位置は、例えば第8図A
Bに示すよう(乙 16ビツト中のMSB側からLSB
側に急激に移動するが、前ブロックのデータ(第8図A
)のエラー分が次のブロックのデータ(第8図B)にそ
のまま帰還されるこ吉によって、再量子化により取り出
される4ビツトのデータがオーバーフロラしてしまう。
これは、シフタ15の利得Gとしては、前ブロックで小
さかったものが次のブロックで急激に増大することに相
当する。
そこで、オーバーフロラを許容して、オーバーフロラが
発生したときには、再量子化4ビツトで表現可能な正又
は負の最大値に固定していわゆるクリッピングするこ吉
により、符号の反転を防ぐとともに異音の発生を最小限
に抑えることが望ましい。
また、このクリッピング処理に先立ち、レンジが小さく
なる(利得Gが大きくなる)ときのビット取り出し位置
の移動に制限を加え、例えば第8図Cに示すよう(仏前
ブロックの位置より1ビツトだけL S B側に移動し
た位置をビット取り出し位置あるいはレンジング位置と
する。
このように、レンジング位置が元の16ビツトのデータ
のMSB側からLSB側に移動するときの移動量に制限
を加えることにより、急激なレンジの変化が防止でき、
ノイズ・シェイピングによるオーバーフロラの大きさを
小さくできる。
ここで、最もオーバーフロラの生じ易い、すなわち最も
急峻なノイズ・シェイピング処理を行っている上記2次
差分モード選択時のレンジング位置移動の制限作用につ
いて説明する。
この2次差分モード選択時におけるエンコーダ出力での
ノイズ・スペクトル分布は、第6図の特性曲線Aと同様
の曲線形状に表われ、ノイズ・シェイピング前に比べて
fS/2付近のノイズのピーク値は略4倍すなわち約+
12dBだけ持ち上げられる。したがって、再量子化デ
ータの4ビツトによるフル・スケールをQdBとすると
き、ノイズのピーク値は一12dBの位置に存在し得る
ことになり、0.25をノイズが占めることになる。
次に、レンジング位置の移動については、上述のように
、■ブロックにつきL S B側に1ビツト以内にする
という制限があるため、次のブロックにおいて帰還され
るノイズの大きさは、このときのフル・スケールをOd
Bとして、最大でも上記1ビツト分の−6dB 、すな
わち0.5である。なお、上記制限を設けない場合には
、レンジの変化ステップが最大12ビツトあることより
、−12+6X12=60、すなわち約60 dBのノ
イズが伝播されることになる。これに対して、上記制限
を設けた場合には、過渡部で最大でも0.5をノイズが
占めることになり、信号に対し上記乗算係数γを設定し
ない(γ−1とする)場合でも、信号の最大値1とノイ
ズの最大値0.5との和1゜5、すなワチ約+3.s1
3のオーバーフロラですむ。
次に、このようなオーバーフロラの大きさを制限したの
ちに、上述のようなりリッピング処理を行う。
ここで、クリッピング処理とは、上記オーバーフロラが
生じたときに、再量子化によって取り出される4ビツト
の正又は負の最大値にデータを固定あるい1はクリッピ
ングすることにより、符号の反転を防止、エラーを小さ
く抑えるものであるが、この時発生したエラー、すなわ
ち真の値とクリップした上記圧又は負の最大値との差を
帰還(エラー・フィードバック)し、次回にくり越すこ
きにより、すなわち通常のエラー・フィードバックをそ
のまま行うことにより、クリップによる歪等の悪影響は
ほとんど発生しないことが確認されている。
これに対して、上記クリップ時にエラーの帰還を停止し
てしまうと、一時的にノイズ・シェイピングがかからな
くなり、デコーダ出力には大レベルの低域ノイズ、すな
わちデコード・フィルタの特性に応じたノイズが発生し
、その歪が伝播するため、聴感上非常に問題となる。
このようなりリッピング処理時のエラー・フィードバッ
クの有無による作用上の差異について以下説明する。
ここで説明を簡略化するために、第9図に示すような1
次のノイズ・シェイピングを行う場合について考察する
この第9図において、シフタ15からの出力d(nlは
、量子化器16において16ヒントから4ビツトに再量
子化されて出力d (nlとなり、オーバーフロラ時の
クリッピング回路(クリッパ)26を介して出力企(n
)となるものとする。また、量子化器16への入力d″
′(n)とクリッパ26からの出力企(”R:の誤差分
である量子化ノイズあるいはエラーe(nlは、ノイズ
・シェイパ17においてシフタ19を介し、1ワ一ド遅
延手段27を介して加算器14に減算信号として供給さ
れている。
なお、この第19図の構成を要部とするエンコーダに対
して、デコーダの要部は、第10図に示すように構成さ
れ、予測器34はlワード遅延手段28より成っている
いま、時間経過に伴って任意の一ブロック(第1のブロ
ック)から次のブロック(第2のブロック)に移る際に
、信号のピーク値が小さくなり、シフタ15の利得Gが
GからG−2(ただし7〉1)に変化する場合に、上記
第1のブロックの最終のエンコーダ出力データを、 沓(nl=(d(川−・(・−1)・G−”)・G+・
(川=d(nl−G−e(n−1)+e(nl  −−
−・−・−@/\“ とするとき、デコーダのシフタ32からの出力d(nl
は、 △“ a(n)=a(nl+(etnl−e(n−t))−G
  −・−。
となる。次に、上記第2のブロックの先頭のエンハ コーダ出力データd(rH−1)は、 d(n+1 )=(d Cn+1 )−e(nl・G−
”) ・G−El+e(n+1) ==d (n+1 ) −G−y−e(nl、 y+e
 (n+1)・・・・・・・・・・・・・・・0 また、デコーダ内のデータQ7. 、十、)は、r’<
 n+1. )=a (n+1)十e (nlx )−
g−’ y−”−e(nl・G−1・・・・・・・・・
・・・・・・[有]となる。ここで、デコーダ出力番’
(n) 、々(n+1)を考えるのに際し、 ’Q’< n−1)=V(n−1,)十e (n−1)
−G−”とする古、0式より、 仝′(川−’l (n−1) +d(n)(−e(nl
・G ・・・・・・・・・・・・・・傾のまた、この[
相]式と[相]式より、 仝λ叶1)−y(n−1)刊(n)+−d (n+1 
)+e Cn+1.)・G−”・グー”    ・・・
・・・・・・・・・・・・[相]となる。これら(ハ)
、0式で示されるように、オーバーフロラのないときに
は、ブロック間の干渉は一切発生せず、前ブロックの大
きな量子化誤差が後続のブロックに尾を引くことはない
次に、上記第2のブロックの先頭ワードでオーバーフロ
ラを起こした場合において、上記(ハ)式のe (nl
・7の項がオーバーフロラの原因となるわけであるが、
ここでオーバーフロラが生じクリップさせたときのエラ
ー分をEとしてCΦ式を書きなおすと、 △ d (n+1. )=(d(n+1 )−e(nl・G
 ) ・G”i’+e (n+1 )十E −d (n+1 ) ・G−9−e(川・H−e (n
+1 )十E・・・・・・・・・・・・・・0 よって上記0式は。
Q’(n+1 )=d(n+1)+(e(n+1)+E
)・G−”・y−”−e(nl・o−1・・・・・・・
・・・・・・・・(ハ)となる。また、上記(ハ)式の
デコーダ出力は、’fin+1− )=V (n−1)
+d(n)l−d (n+1. )+(e (n+1 
)十E )・G −2・・・・・・[相]となり、この
[相]式と上記[相]式との差は、E−G  −2・・
・・・・・・・・・・・・・[相]で、これがクリップ
によるデコーダ出力に表れる歪である。
次に、クリップによるエラー伝播については、上記0式
で発生したエラーを通常通りフィードバックする場合に
、n +2に対応するエンコード出力は、 G(n+2)=[d(n+2)−(e(n+1)十E1
−G−’F−’)・G4+e(n+2)  ・・−@よ
って、命でn+2)は、 M’(n+2)=d(n+2)十e(n+2)−G”−
fl−’−(e (n+1 )十B )・G −7・・
・[株]この0式と(ハ)式より、デコーダ出力は、f
(n+2)=y (n−1)刊(n)+−d (n+1
 )刊(n+2)十e (n+2 )・G  −p  
 ・・・・・・・・・・・・・・・[相]となり、Eの
影響はなくなる。これに対して、上記0式で発生したエ
ラーをフィートノくツクしない場合には、 番(n+2)到(n+2)・G−7+e(n+2)  
・・・・・・0M(n+2 )=d (n+2 )十e
 (n+2 ) ・σ”−y−・−。
この[相]式と上記[相]式より、デコーダ出力は、x
’Cn+2 )=y <、 n−1)+d(n)−t−
a (n+x )刊(n+2)十e(n+2)G  −
9+(e(n+1)十g)・G −9・・・・・・・・
・・・・・・・[相]となるから、結果として、  E
+ e(n+1 )を帰還しなかったことによる影響が
伝播することになる。
以上の考察の結果からも明らかなように、クリッピング
によるエラーも、通常の量子化誤差と同様にフィードバ
ックする方が良いことがわかる。
この場合、オーバーフロラを起こしたワードのみが上記
[相]式のE−G −9なる歪を発生するだけですみ、
エラーが後続ワードに伝播することはない。
次に、上記レンジング位置すなわち再量子化ビットの取
り出し位置がLSB側に移動するときの移動量に制限を
加えることの効果について説明する。
先ず、クリッピングによるエラー分を次のワードにフィ
ードバックすることは上記0式に示されている。この0
式中で帰還されるエラーとしては、(e(n+1)十B
)”G ”El  の項であり、これがn+2のワード
でオーバーフロラを引き起こす原因となり得る。すなわ
ち、前記第8図Bのように急激に再量子化ビット取り出
し位置(レンジング位置)がLSB側に移動した場合に
は、 dCn+2)<<(e(n+1)+El−G  −Pと
なることがあり、n +1のワードでのエラー分Eをn
+2のワードで吸引しきれずに、逆向きのオーバーフロ
ラを起こしてしまうわけである。このようにして、次々
吉オーバーフロウによるエラーが伝播し、大きな歪とな
る。この様子を第11図に示す。この第11図において
は、上記レンジング位置が急激にL S B側に移動し
たときのブロック内の先頭ワードをWOとしており、こ
のワードWOのデータDOに前ワード(前ブロックの最
終ワード)についての量子化誤差(エラー)が重畳され
て真の値POとなるわけであるが、この真の値Poは現
在のブロックの再量子化ビットで表現可能なフル・スケ
ールFSの範囲を越えてオーバーフロつとなるため、上
記クリッピング処理が施されて、出力値QOは正の最大
値にはりつけられる。このときの量子化誤差EOは、出
力値Q〇−真の値Poである。このエラーEoが次のワ
ードW1のデータD+に重畳されて真の値P■となるが
、この真の値PlもフPし・スケールFSを(負方向に
)越えてオーバルフロラとなるため、出力値Q、は負の
最大値にクリップされる。このようにしてエラーが伝播
する。なお、第11図においては、図示の都合上、ブロ
ック先頭ワードW0のエラー重畳された真の値POをフ
ル・スケールの数倍以内にしているが、実際にはWOに
帰還されるエラーは、フル・スケールの約1.000倍
(約60dB)となる可能性もあり、エラー伝播が長時
間に渡って持続することもある。
これに対して、上述のようにレンジング位R(再量子化
ビットの取り出し位R)がLSB側に移動するききの移
動量を例えば1ビツトに制限する場合には、第12図に
示すように、ブロック先頭ワードWOで帰還されるエラ
ーが小さく抑えられ、短時間でエラー伝播が解消される
。したがって、デコーダからの出力信号の歪が小さく抑
えられ、テンポラル・マスキング効果と相まって、聴感
上何ら支障のない信号伝送が可能となる。
なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものではな
く、入力ディジタル信号のサンプリング周波数、1ワー
ドのビット数、1ブロツク内のワード数、フィルタの最
高次数Nや種類数、あるいは再量子化ビット数等は任意
に設定できることは勿論である。
〔発明の効果〕
本発明の信号伝送装置によれば、選択されたフィルタか
らの出力のブロック内のピーク値(最大絶対値)に係数
γ(γ≧1)を乗算し、この乗算された値に基いてレン
ジング位置すなわち再量子化ビットの取り出し位置を決
定しているため、ノイズ・シェイピング処理によるフィ
ードバック・エラーが重畳されても、オーバーフロラが
起こりにくくなる。
また、高次差分PCM、1次差分PCM、ストレートP
CMの各データを出力する複数個の差分処理フィルタを
用い、これらを適応的に切換選択しているため、効率的
なビットレート低減が行え、信号の品質を劣化させるこ
となく極めて低いビットレートでの信号伝送が可能とな
る。また、ストレートPCMデータの出力モードも切換
選択できるため、高域信号入力時のS/N劣化や、エラ
ー発生時の過大な誤差電力の発生も解決できる。
さらに、入力信号レベルがブロックの境界付近で急激に
低下し、レンジング位置すなわち再量子化ビットの取り
出し位置がLSB側に急激に移動しようとする際に、こ
の移動量に制限を加えることにより、再量子化ビットの
オーバーフロラによるエラーを小さく抑えることができ
る。このとき、再量子化ビットがオーバーフロラしたさ
きに、正または負の最大値でクリッピングし、このとき
のエラーをフィードバックしてノイズ・シェイピング処
理を施すことにより、エラー伝播を抑えて異音の発生等
による悪、影響を有効に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る信号伝送装置が適用されるシステ
ム全体の概略的構成を示すブロック回路図、第2図およ
び第3図は第1図のエンコーダおよびデコーダのより具
体的な構成例をそれぞれ示すブロック回路図、第4図は
複数の差分処理フィルタの周波数特性を示すグラフ、第
5図は1ブロツク内の伝送ワード構成の一例を示す図、
第6図は他の具体例に用いられる複数の差分処理フィル
タの周波数特性を示すグラフ、第7図はノイズ・シェイ
ピング処理されたノイズのスペクトル分布を示すグラフ
、第8図は再量子化の際のレンジング位置の移動を説明
するための図、第9図はエンコーダの要部を示すブロッ
ク回路図、第10図はテコータの要部を示すブロック回
路図、第11図および第12図は再量子化の際のオーバ
ーフローによるエラー伝播を説明するための図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 入力ディジタル信号を時間軸に沿って一定ワード数毎に
    ブロック化し、各ブロック毎の信号に対して予測処理を
    施す手段と、この予測処理された信号を再量子化すると
    ともに量子化誤差を帰還してノイズ・シェイピング処理
    を施す手段と、上記予測処理された信号のブロック内の
    最大絶対値に1以上の係数γを乗算し、この乗算結果に
    基いて上記再量子化の際の再量子化ビット取り出し位置
    を決定する手段とを有することを特徴とする信号伝送装
    置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01151836A (ja) * 1987-12-09 1989-06-14 Sony Corp デジタルデータの伝送方法
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