JPS61201526A - オーデイオ信号の伝送方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明はアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタ
ル的に伝送し、再びアナログ信号に変換するようにした
オーディオ信号の伝送方法に関する。

従来技術 オーディオ信号の伝送の際、例えばラジオ放送、有線伝
送、サテライト区間、記録機器での伝送の際、アナログ
オーディオ信号を所定の分解能（各サンプリング値ごと
のビット）でデジタルオーディオ信号に変換し、この形
轢で伝送し、再生の際再びアナログ信号に変換すること
が公知である。デジタル伝送により、殊に、再生の際比
較的に大きなＳ／Ｎ比が達成される。

このような信号の伝送に必要な帯域幅は実質的に単位時
間ごとの被伝送サンプリング値の数と、分解能（サンプ
リング値あたりのビット）とによって定まる。

実際には狭帯域のチャネルで済ませられ又は既存のチャ
ネルを介してできるだけ多くのオーデイオ信号を同時に
伝送できるためには伝送に必要な帯域をできるだけ小に
する必要がある。

所要の帯域幅を、サンプリング値の減少により、又はサ
ンプリング値ごとのピント数の減少によりそれ自体低減
できることはできるが、このような手段により、概して
、再生の際品質低下が惹起される。

発明の目的 本発明の課題とするところは再生の際品質に余り影響を
及ぼさずに、各サンプリング値あたりわずかな平均ビッ
トレートで事足りるデジタルオーディオ信号の伝送方法
を提供することにある。

発明の構成 上記課題は請求範囲１に記載の構成要件により解決され
る。本発明の各実施例を従属請求項に記載しである。

本発明は次の認識及び考察に基いている。すなわちアナ
ログ信号の個々のサンプリング値を順次表わす、時間領
域におけるデジタル信号が時間的に順次連結する間隔な
いし区間にて短時間−ス被りトルに変換される。その際
そのスペクトルは夫々短時間、例えばｉ　ｏ　ｍＳの開
信号のスペクトル成分を成す。短時間スペクトル中では
サイコアクスティック（心理音響的）認識に基づき、一
般に、聴き手には聴取されない成分、つまり通信技術的
に不適切な成分は、時間領域内におけるよりも良好に見
出され得る。従って、この種成分は本発明によれば伝送
の際比較的わずかに重み付けされるか又は全く除去され
る。このような手段により、それ自体必要なビットの相
当な部分を省くことができ、その結果所定の数のサンプ
リング値の平均ビットレートが著しく減少される。

スペクトルのこの種不適切な成分はスペクトル中で明白
な最大振幅に対して相対的に所定の振幅を越えない成分
である。斯様な成分は有利に伝送の際再生品質を余り損
なわずに除去できる。この種成分はサイコアクスティッ
ク法則性に基づき所謂マスキング効果により聴き手には
感知されない。この種マスキング効果には各成分間の時
間位置ないし相互間の周波数−振幅位置が決め手となる
。

マスキング効果には所定の時定数が決め手であるので、
信号は時間窓（ウィンＰつ）により２０ｍＳのオーダの
持続時間を有する時間的に順次連続するブロックに分け
られる、それというのはそのような期間内ではマスキン
グ閾値又は可聴数（クロストーク）閾値が大して低下し
ないからである。その際この種ブロックの各信号は短時
間スペクトルに変換され、コード化の際不適切な成分に
ついてしらべられる。

聴覚は周波数帯域として見れば所謂、マスキング効果の
際重要な役割をする群を形成する。

周波数群への分割、及びマスキングは既知であり、Ｅ、
ツヴイツケル、′ゾシヒョアクステイク”スジリンカ−
社、ベルリン、ハイデルベルク、ニューヨーク１９８２
年第４６頁以降に記載されている。これら周波数群の各
々はコード化の際個別に評価され不適切な成分について
しらべられる。その際周波数分解能は著しく精細で、は
ぼ１００Ｈｚの幅を有する最狭幅の周波数群が捕捉検出
される程のものである。時間領域から周波数領域への変
換のため有利にフーリエ変換、例えば所謂高速フーリエ
変換が適用される。

実施例 本発明の手段の利点及び他の構成例を以下図示の実施例
を用いて説明する。

第１図にはアナログ信号ａ（ｔ）　（これは例えば通話
又は音楽のようなアナログ信号を成す）はＡ−Ｄ変換器
ｌにて相応のデジタルオーディオ信号に変換される。第
２ステツプ・において時間的に順次連続する重なり合う
時間窓によって当該信号の所謂ウィンＰつ化が行なわれ
る。その場合信号は夫々２０ｍＳの持続時間を有する時
間的に順次連続するブロックに分けられ、その際１つの
ブロックの信号はそれだけで別個にさらに後続処理され
得るように分けられる。第３ステツプにおいて、信号の
前処理が行なわれ、それの意味については後述する。第
４ステツプでは１つの時間窓又は１つのブロックの各デ
ジタル信号が変換により周波数スペクトルに変換される
。要するに第４ステップの出力側には時間的に順次連続
するブロック期間中そのつど次のような信号が現われる
。即ち１つの時間窓又はブロックの持続時間中周波数帯
域全体に亘っての信号の各スペクトル成分を成す信号・
が現われる。要するに第４ステップによっては時間領域
における信号の、周波数領域におけるスペクトルを成す
信号への変換が行なわれる。

第４ステツプからの信号はコーグ５へ達する。

ここではサイコアクスティック（心理音響的）な観点か
らのコーｒ化が行なわれる。つまり、再生の際、殊にマ
スキング効果に基づきいずれにしろ感知されないスペク
トル成分はコーｒ化の際比較的にわずかに重み付けされ
るか又は省略（除去）されるのである。スペクトルのこ
の種の短時間処理は例えばコンピュータを用いて行なわ
れ得る。

このようにしてコーＰ化された信号は送信器Ｃを介して
通信チャネル７に達する。平均ビットレートの低減を達
成することにより、上記の通信チャネルを相応に狭帯域
に選定、設計できる。通信チャネル７につづいて受信器
８が設けられており、この受信器は実質的に送信器と逆
の機能を行なう。受信器８からの信号は先ずデコーダ９
へ達しこのデコーダによってコーグ５に相応、してデコ
ーディングが行なわれる。第１０ステツプではそのよう
にして形成された、ス被りトルを表わす周波数領域にお
ける信号が、再び時間領域におけるデジタル信号に変換
される。第１１ステツプ（適応化）では信号は再び１つ
のまとまった（統合的）連続的なデジタル信号に合成さ
れ第３ステツプの前処理が考慮される。次いで信号はＤ
−Ａ変換器１２に供給される。この変換器１２は再びア
ナログ信号ｂ（ｔ）を送出する。この信号は信号ａ（ｔ
）と同一ではない。それというのはコーグ５において、
コーＰ化の際スペクトル成分が異なった重み付けをされ
ているか又は抑圧されているからである。アナログ信号
ａ（ｔ）とｂ（ｔ）との相違は再生の際聴き手により感
知されない程のものである。信号中ではたんに不適切な
要素すなわち聴き手には聴こえない情報が取除かれて、
通信チャネル７を介しての伝送の際の必要なビットレー
トが減少され、殊に決定成分が低減されるのである。

第２図Ａ−Ｃは第２ステツプにおける信号のウィン１つ
化を示す。信号ａ（ｔ）はｔ１〜ｔ７の振幅特性カーブ
ＷＡにより１つの時間窓を以って評価される。すなわち
信号ａ（ｔ）の信号値は第２図Ｂの特性カーブＷＡと乗
算される。１ｌ−ｔ２の特性カーブ部分はＩＡ周期に亘
ってサイン状の経過を有し、１６−１．の特性カーブ部
分はコサイン状の経過を有し、ｔ２−ｔ６は一定値を有
する。１１−１２．１６−１．の連続的経過が必要であ
るのはそのように時間的に順次連続する各ブロックの分
割の際零と有限値との開で跳躍的変化があると、７−リ
エ変換の際著しく幅広いスペクトルが生ぜしめられるこ
ととなるからである。

信号ａ（ｔ）の、特性カーブＷＡとの乗算により第２図
Ｃの信号Ａが形成され、この信号Ａは従って期間１１−
１２．１６−１．にて振幅がひすまされている。このよ
うなウィンドウ化、すなわち時間選択的評価（これは第
１図中第２ステツプにて行なわれる）を第２図Ａ−Ｃに
てアナログ信号を用いて示す。実際には信号ａ（ｔ）及
びＷＡはデジタル信号であり、その結果１１−１．のう
ちそのつどデジタル信号値は相互に乗算される。

時間窓ｔ、−ｔ、の信号、即ち１つのブロックの各信号
は第１図に示すように第４ステップにて短時間−スペク
トルに変換される。第２図りは周波数ｆに対する振幅の
経過を示し第２図Ｅはその種信号の場合の周波数ｆに対
する位相の経過を示す。受信器側では第２図Ａ−Ｅに示
す経過が逆の順序で行なわれる。振幅と位相がデジタル
信号として受信され、逆高速フーリエ及びＤ−Ａ変換を
用いてアナログ信号ｂ（Ｈに変換される。

第３図は送信側及び受信側における順次連続する時間窓
に対する振幅−特性カーブを示す。

第２ステツプにおける送信側での時間窓は第３図Ａの経
過ＷＡ　（Ａ＝分析）を有し、１１−１２゜１６−１．
は２つの時間窓が作用する重なり合い期間である。時間
窓は１０２４のサンプリング値に亘っており、その除重
なり合いはほぼ６４のサンプリング値に及ぶ、すなわち
時間窓の持続時間ａ　６．２５％に及ぶ。第３図Ａに示
す振幅−特性カーブは同様に受信側にも当嵌まり、第１
１ステツプにて実現される（ＷＳ＝Ｓニライン合成）。

時間ｔ２−　ｔ６にて信号は信号振幅に影響を受けずに
すなわち係数１で、第１図に示す経路を辿る。重なり期
間ｔｌ−ｔ２中のサンプリング値は先ず第２ステツプに
てサイン波と乗算される。第１１ステツプにて受信側に
て同じカーブが作用するので、このサンプリング値は全
体が５ｉｎ２（ｘ）で乗算されることになれば当該サン
プリング値の振幅の減衰が係数５ｉｎ２（ｘ）で生じる
こととなる。ところが時間ｔｌ−ｔ２にて付加的に、先
行時間窓の立下りのコサイン状側縁が作用しその結果同
じサンプリング値が全体的にコサイン状側縁によりｃｏ
Ｓ２（ｘ）で乗簑される。従って上記両信号の直線的重
畳及び数学的関係５ｉｎ２（ｘ）　＋ｃｏｓ２（ｘ）　
＝１に基づき８重なり合い期間中でも一定の振幅係数１
が得られる。このことは第３図Ｂにて期間１．−１２．
１６−１．にて上側の水平線分によって示されている。

要するに信号全体に対して常時搗幅−伝送値１が得られ
、よって信号振幅の誤りないしひずみが生じないように
なる。

第４図は第１図の第４ステツプの出力側にて現われるよ
うな短時間−周波数スペクトルの各スペクトル線の振幅
経過を表わす。短時間ス梗りトルｆｌ−ｆ５の周波数帯
域全体は多数の周波数群ｆｌ−ｆ２．ｆ２−ｆ４．ｆ４
−ｆ１２゜ｆ１２．ｆ１４に分けられている。個々の周
波数群においてスペクトル線が、サイコアクスティック
な観点からしらべられ重み付けされる。だだ、主な振幅
値のみが伝送され、不適切な振幅値は比較的に小さく重
み付けされるか又は抑圧されるのでちる。周波数帯域全
体の絶対的最大値１５は先ず１２−１６ビツトを有する
絶対値として伝送される。その他の（残りの）周波数群
の最大値１４，１６．１７．１８は８ビツトの精度で伝
送され、しかも絶対的最大値１５に対する相対的位置関
係で伝送される。周波数群ｆ４−　ｆ１２のその他の値
２０−２６は最大値１６に関係づけられる、即ち最大値
１６との偏差が伝送される。このために振幅領域は最大
値１６から出発して夫々ｌ　ＯｄＢを有する３つの領域
Ａ１〜Ａ３と、残りの領域Ａ４とに分けられている。夫
々振幅領域内にある信号値１６゜２０．２１ないし２２
．２３ないし２４ないし２５．２６は統合的な値として
伝送される。要するに値１６．２０．２１ないし２２．
２３ないし２５．２６間では区別せられない。最大値１
６より３０　ｄＢ下った値を下回る周波数ｆ１０、ｆｌ
ｌのもとての振幅値２５．２６は零にセントされる。値
２５．２６の位相は伝送されない。これらのスペクトル
線分は値１６に対しての位置関係と、そのわずかな振幅
によりマスキング効果が働いていずれにしろもはや感知
されないこととなる。実際上周波数帯域全体ｆ１−ｆ１
５は２６の周波数群に分けられ、そのうち第４図には簡
単のため５のみを示しである。

振幅領域Ａｌ−Ａ４への分割により最大値１６に対して
相対的に表わされる振幅ｆｉ！２０−２６の伝送には全
部で２ビツトで十分である。領域Ａ１〜Ａ　、３内にあ
る各伝送振幅値に対して所属の位相値のだめ２ビツトが
伝送される。

２ピントを以っての振幅値及び位相値の粗い量子化によ
り伝送に必要なデータ量の所要の低減が行なわれる。酸
成分の省略（除去）、即ち周波数群ｆ４−　ｆ１２にお
ける振幅値２５，２６に対する位相値の省略、除去によ
り、伝送の際付加的にビットが節減される。これらの空
き（自由）になったビットは領域Ａｌ−Ａ３にて一層精
細な振幅分割のため用いられ得る。このために例えば各
領域Ａｌ−Ａ３は各５　ｄＢの２つの領域に分けられる
。その際各周波数値２゜−２４には１つのピントが割当
てられこのビットは振幅値例えば２０．２１が最初の最
大値１６より最初に５　ｄＢ下回ったところにあるのが
、さらにそれより５　ｄＢ下回ったところにあるのかを
指示する。このビットの割当ては表２８に基づいて行な
われ、この表は送信側で作成され受信側で再生可能であ
る。このだめに第４図の周波数ス被りトルの経過全体に
亘って６　ｄＢの段階での分割を有するラスタ２７が設
定（セツティング）される。要するに振幅値２０−２４
はこのラスタに割当てられる。表２８は各振幅値２０−
２４に最大値１６に対しての１つの所定の位置を割当て
る。表２８は最も低い周波数値から始まり、行を用いて
、夫々相応の周波数領域の最大値に対する位置を指示す
る。

さらに自由の（空きの）ピントを利用できる場合には５
　ｄＢ領領域、２．５ｄＢ領域への分割が行なわれる。

分割は任意に継続され得る。ビットの節減及びこれらの
ビットを、分解能の改善（精密化）のために使用するこ
とは適応化量子化と称せられる。

第５図は時点ｔ９にて時間窓ｔｌ−ｔ７内に生じる突然
の音響事象の前処理の状軛を示す。

このような音響事象は例えばトライアングルの叩打によ
るものである。上述の前処理は第１図中第３ステツプに
て行なわれる。音響事象２９にはｔ８とｔ９との間の前
振動状態（これは前マスキングによって可聴でない）が
先行する。

第１図中第４ステツプでの周波数スペクトルへの変換の
際そのつど、窓ｔｌ−ｔ７にてスペクトル分布を表わす
信号が周波数領域内に生じる。

この信号の場合１つの時間窓内での個々の時点へのス被
りトル線の対応割当てはもはや行なわれないので、事象
２９は時間窓ｔ１−ｔ７に亘って平均化つぶされる、つ
まり擬似的にならされるないしされることとなる。そう
なると可聴の誤りが生じるおそれがある。

このようなおそれのある誤りを避けるため時間窓ｔｌ−
ｔ７又はブロックが３２のサブブロックに分けられてい
る。個々のサブブロックの振幅が求められる。２０ｄＢ
　より大の振幅ジャンプが２つのサブブロック間に生じ
ると直ちに付加的な手段が講ぜられる。それによれば、
信号が振幅ジャンプの前にコン・ξンダ方式により送信
側で強められ受信側にて再び相応に弱められる（低下さ
れる）のである。その後時間窓全体に亘っての短時間の
事象の平均化による上述の誤りが減少される。

第６図は比較的に精細な高い振幅分割の信号伝送の別の
実施例である。ラスタ４６は周波数スペクトルについて
セツティングされている。

この表の一番上の限界は絶対の最大値１５で終っている
。ラスタ生○は最大１６０６ｄＢ段階づけを有し、従っ
て９６　ｄＢの領域に及んでいる。このラスタ４ｏに基
づき表４１が作成される。この表は受信器側で作成され
、送信側で再生可能である。すなわち、表中の値４２，
４４゜４３．２０．２１．２２．２３．４５の位置は再
生可能である。表は１ビツト（ｏ又は１）により、所属
の値が領域Ａｌ−Ａ３　、Ａ５−Ａ７の５　ｄＢ領域内
にあるか、又は６−１０ｄＢの領域内にあるかを示す。

要するに比較的に精細な振幅分割のだめ１つの値に対し
て唯１つのビットが伝送される。値２０に対してはその
値２０がＡ１のＯ，−５ｄＢ内にあることを指示するだ
めに０が伝送され°る。値４２．４４は○ｄＢノ行ニ割
当テられ、値４３．２０．２１は５ｄＢの行に割当てら
れ、値２２．２３は１２　ｄＢの行に割当てられ、値４
５は１８　ｄＢの行に割当てられる。６値に所属するビ
ットは表４１に従い○ｄＢから始まって行ごとに伝送さ
れる。すべての周波数スペクトルに対する伝送時間は同
じである。振幅値及び位相値の粗い量子化により幾つの
ビットが節減されるのかに応じて、表４１から益に多く
のビットが伝送され得る。つまり、第１行○からのビッ
トは後続の行からのビットより高い確率を以って伝送さ
れる。破線牛・６は線４７と４８との間の境界を設定す
る。

値２３に対するビットは値４５に対するビットより大き
な確率で伝送される（尤も、値４５の大きさは値２３の
大きさより大ではあるが）。

発明の効果 本発明によれば、再生の際品質の低下を来たさずに、各
サンプリング値あたり小さな平均ビットレートで事足り
るデジタルオーディオ信号の伝送方法を実現できるとい
う効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の時間的経過を示す説明図、第２
図は順次連続するブロフクを得るだめの信号のウィンド
ウ化を示す波形図、第３図はウィンＰつ化の際使用され
る振幅特性カーブを示す図、第４図は個々の周波数領域
への短時間スペクトルの周波数帯域分割及び各成分の振
幅評価の波形図、第５図は特別な信号内容に対する信号
の付加的処理扱いの説明図、第６図は比較的精細な振幅
分割の別の実施例の波形図である。 ６・・・送信器、７・・・通信チャネル、８・・・受信
器アナログ信号ａｆｔ） アナ°グ信号１）＋ｔｌ　　　　　Ｆｉｇ、１Ｄ　　　
　　　　　　　　　　Ｅ Ｆｉｇ、２ Ｆｉｇ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル的
   に伝送し、再びアナログ信号に変換するようにしたオー
   ディオ信号の伝送方法において、伝送の前に信号を、短
   時間スペクトルを表わす（成す）信号に変換し、この信
   号の成分をサイコアクスティック（心理音響的）法則性
   に基づいて、伝送すべきデジタル信号のコード化（５）
   の際、それの表示精度の点で異なった重み付けすること
   を特徴とするオーデ ィオ信号の伝送方法。 ２、短時間スペクトルを表わす信号への変換をフーリエ
   変換（ＦＴ）によって行なう特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３、フーリエ変換として高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を
   用いるようにした特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４、短時間は２０ｍＳのオーダであるようにした特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ５、信号の成分を比較的わずかに重み付けするか又は抑
   圧するようにした特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６、信号の成分を振幅の減少と共に比較的に小さくなる
   重み付けをするようにした特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 ７、コード化の際所定の振幅を下回ると信号の成分を抑
   圧するようにした特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８、信号の成分をその振幅と、比較的大きな振幅のマス
   キングさるべきスペクトル成分に対する周波数間隔とに
   依存して比較的に小さな重みづけをするか又は抑圧する
   ようにした特許請求の範囲第１項記載の方法。 ９、信号を時間窓（ｔ１−ｔ７）により時間的に順次連
   続するブロックに分割し、該ブロックを短時間スペクト
   ルを表わす信号列に変換するようにた特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 １０、時間窓は時間的に相互に重なり合うようにした特
   許請求の範囲第９項記載の方法。 １１、重なり合い時間（ｔ１−ｔ２；ｔ６−ｔ７）は時
   間窓の持続時間の５−８％の大きさ、例えば６．２５％
   であるようにした特許請求の範囲第１０項記載の方法。 １２、送信側、受信側における時間窓の振幅−特性カー
   ブ（ＷＡ、ＷＳ）は同一であるようにした特許請求の範
   囲第９項記載の方法。 １３、重なり合い時間（ｔ１−ｔ２；ｔ６−ｔ７）中の
   ブロックの振幅特性カーブ（ＷＡ、ＷＳ）は連続的に上
   昇ないし低下する経過を有するようにした特許請求の範
   囲第９項記載の方法。 １４、重なり合い時間中の振幅特性カーブ（ＷＡ、ＷＳ
   ）の経過を、当該時間中に各振幅特性カーブ（ＷＡ、Ｗ
   Ｓ）の生成波の和が送信、受信側について１であるよう
   に選定、ないし設計した特許請求の範囲第１２項記載の
   方法。 １５、時間窓の終りにて振幅特性カーブの立下り側縁が
   コサイン状経過を有し、時間窓の始めにて立上り側縁が
   サイン状経過を有するようにした特許請求の範囲第１４
   項記載の方法。 １６、スペクトルの共通の周波数帯域が複数の周波数群
   （ｆ１−ｆ２；ｆ３−ｆ４；・・・）に分けられ、各周
   波数群の振幅−最大値（１４、１５、１６、１７、１８
   ）の各値が伝送されるようにした特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 １７、周波数帯域全体の絶対的振幅最大値（１５）の値
   が絶対量として伝送されその他の周波数群の最大値（１
   ４、１６、１７、１８）の代わりに絶対的振幅最大値（
   １５）との偏差が伝送されるようにした特許請求の範囲
   第１６項記載の方法。 １８、各周波数群（ｆ４−ｆ１２）を振幅−最大値（１
   ６）から出発して振幅領域（Ａ１−Ａ４）に分け、各振
   幅領域（Ａ１−Ａ４）の振幅値（２０〜２６）を同じ値
   として伝送するようにした特許請求の範囲第１６項記載
   の方法。 １９、周波数群（ｆ４−ｆ１２）内の振幅値（２５、２
   ６）は値（−３０ｄＢ）を下回ると零にセットされ、所
   属の位相値が伝送されないようにした特許請求の範囲第
   １６項記載の方法。 ２０、伝送のため必要でない自由なビットを各振幅領域
   （Ａ１−Ａ３）における値の振幅位置の比較的に精確な
   表示のため用いるようにした特許請求の範囲第１９項記
   載の方法。 ２１、１つのブロックを夫々複数のサブブロック（３２
   ）に分け、かつ１つのサブブロックから次のサブブロッ
   クへ所定値（２０ｄＢ）を上回る振幅ジャンプが生じる
   度ごとに、コンパンダ方式での伝送のため時間的に先行
   するサブブロックでの振幅値が高められるようにした特
   許請求の範囲第９項記載の方法。 ２２、スペクトルを大きさ及び位相の点で表示する特許
   請求の範囲第２項記載の方法。