JPS62224122A

JPS62224122A - 信号符号化方法

Info

Publication number: JPS62224122A
Application number: JP61067732A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Moriya; 健弘守谷; Masaaki Yoda; 雅彰誉田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1987-10-02
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH07118658B2

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〕本発明は信号符号化方法に係り、特に音声や画像信号等
の高能率ディジタル符号化方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、信号系列を１定サンプル数ごとに１フレームとし
てまとめ、フレーム単位で真性能率符号化する方法とし
て適応変換符号化法が知られている。これは、信号系列
をフレーム内で定常とみなして直交変換し、直交変換領
域（周波数領域）でのエネルギーの偏在に適応させて情
報を配分して量子化する方法で、特にベクトル量手化手
法も組み入れたものとして、適応変換ベクトル符号化方
法がある（特許第１，２５８，０２５号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、特に周波数領域でエネルギー偏在の程
度が大きく、定常的フレームにおいてきわめて歪の小さ
い符号化が実現されることが知られている。しかしなが
ら、音声や画像等の信号系列を一定サンプル数ごとに区
切っていくと、信号の振幅がフレーム内で大きく変動し
、定常と仮定するには無理な場合が生じる。このような
フレームの信号に対しては、従来技術では量子化歪を十
分小さくすることができず、この結果、音声においては
明瞭性の低下、画像においてはコントラストの低下につ
ながっていた。

本発明の目的は、信号の振幅が大きく変動するような過
渡的なフレームに対しても、量子化歪が小さくなるよう
な信号符号化方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明はフレ
ーム内の振幅変動パターンを抽出し、その変動の程度が
大きい場合に、フレーム内を複数の副フレームに分割し
、振幅変動パターンにもとづいて、情報配分と正規化を
行い、副フレームごとに量子化することを最も主要な特
徴とする。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面により説明する。

なお、以下の説明では、信号はアナログ・ディジタル変
換後のディジタル信号とし、該ディジタル信号をマイク
ロコンピュータに入力して、プログラムにより所望の処
理を実行するものとする。

第１図は本発明の一実施例で、音声信号をフレームあた
りＢビット（フレーム内のパワー情報を除く）で符号化
、復号化する処理手順を示している。

はじめに、符号化処理について説明する。まず。

信号入力を−定サンプル数ごとに（例えば２５６サンプ
ル）１フレームとし、パワー（信号の電力、エネルギー
等の意味）を正規化する（ステップ１０１）。次にフレ
ーム内で信号を２乗して、振幅変動のパワー系列を求め
、その変動の包絡線を推定する（ステップ１ｏ２）。そ
して、振幅変動の程度を閾値θと比較しくステップ１０
３）、その変動の程度が大きい場合にのみフレームを複
数の副フレームに分割して符号化する（ステップ１０５
〜１０８）。変動の程度が小さい時にはフレーム全体の
符号化（例えば適応変換符号化）をＢ−１ビツトで行う
（ステップ１０４）。なお、ステップ１０３の代りに、
分割して符号化する場合と全体で符号化する場合の双方
を試して、より符号化歪が小さくなるほうを選択するこ
ともできる。

いずれにしても、最終的に全体か、分割がを選択し、そ
れを指定する補助情報１ビツト（例えば“Ｏ”は全体、
′１″は分割）を符号化信号に付加して復号側に伝送す
る必要がある。また、分割の方法を多種用意し、それを
補助情報で選択することも可能である。

変動の程度を具体的に定量化するためには１例えば、（
１）式のＧを使う。

二Ｎで、フレームをＭ等分するとして、ｇｌはｉ番目の
副フレームの平均パワーである６実はＧは理想的な情報
割当てで期待できるＳＮ比向上の理論値のｄＢ表示であ
る。従って、Ｇが閾値０（例えば０．５　ｄ　Ｂ）を超
えるか否かで分割するか否かを判断できる。

次に、分割して符号化する場合について詳しく説明する
。まず、フレーム内パワー変動包絡線を量子化する（ス
テップ１ｏ５）。ｑは量子化パラメータで復号側に伝達
する。分割する副フレームの平均パワー値をそれぞれ量
子化してもよいし、それをフレーム全体でベクトルとし
て量子化してもよいし、線形予測分析による全極型包絡
として線形予測パラメータととして量子化してもよい。

副フレーム内の平均パワーを量子化する際には、量子化
後の代表値をｙ、入力をＸとすると、例えば下記りが最
小となるようにｙを選ぶとよい。

これは量子化後の代表値の平方根で振幅を割算する形で
、後に正規化が行われるためである。

次にフレーム内振幅の正規化を行う（ステップ１０６）
。各副フレームごとに副フレーム内の信号を平均パワー
包終値の平方根で割算する。この時、平均パワー包終値
を隣接副フレームで補間して割算してもよいし、また、
後述する２乗振幅系列をコサイン変換して相関関数を求
め、その相関関数に基づく線形予測分析でパワー包絡を
求める場合はこの求めたパワー包終値は１点ごとになめ
らかに与えられるのでその平方根で１点ごとに割算をし
てもよい。

次にパワー包終値を利用して各副フレームごとに情報割
当を行う（ステップ１０７）。こＮでも。

フレームをＭ等分して副フレームとする仮定すると、フ
レーム全体の量子化歪は（３）式で評価できる。

Ｅ＝　Σ　ｇｔ−ｆ（ｂｌ）（３）ｉ＝１こぎで、ｂｌは第ｉ副フレームへの情報量で、ｆは情報
量を変数とする歪の関数である。ｂｌの総和は、フレー
ム全体の情報ｆｔＢから、パワー包絡パターンの量子化
ビットｑと分割を選択する１ビツトを除いた′Ｂである
。

理想的なｆを（５）式のように仮定すると、ｂ、は（６
）式となる。

ニーで、Ｃは定数、Ｌはフレーム内全サンプル数である
。ｆ（ｂｉ）を実験的に求めて、各副フレームごとの誤
差ｇｉ−ｆ（ｂｔ）が等しくなるようにｂｌを調整する
方法でも割当が可能である。（６）式のｂｉが負となる
ような場合にも、ｂｉ≧０の範囲で各副フレームの誤差
ができるだけ等しくなるようにす、を再調整する必要が
ある。

このように決められた各副フレームに対する情報量で、
正規化された信号を符号化する（ステップ１０８）。こ
の符号化としては適応変換符号化、適応予測符号化等、
既知の波形符号化が可能である。この際必要となるスペ
クトルパラメータは各副フレームごとに線形予測分析で
求めてもよいし、フレーム全体で原信号から求めてよい
し、フレーム全体で振幅包絡正規化後の信号から求めて
もよい。

次に復号化処理について説明する。補助情報が“全体”
を示している場合はフレーム全体を復号化する（ステッ
プ１０９）。補助情報が″分割″を示している場合は、
まずパワー包絡線を復号しくステップ１１０）、副フレ
ームへの情報割当を行う（ステップ１１１）。次に、こ
れに従って副フレームの復号化を行い（ステップ１１２
）、パワー包絡線の平方根を乗じて振幅を再生しくステ
ップ１１３）、音声出力を得る。

第２図は本発明の他の実施例の処理手順を示したもので
ある。

符号側では、まずフレーム全体について線形予測分析を
行い、予測残差系列を求め、残差パワーを正規化する（
ステップ２０１）、線形予測パラメータｒは、フレーム
全体の残差の符号化、復号化および副フレーム内の残差
の符号化、復号化にも、周波数領域での情報割当のため
に用いられる。

次に、フレーム内での残差信号（Ｂ−ｒ）の振幅変動の
包絡線を推定しくステップ２０２）、振幅変動の程度を
閾値０と比較する（ステップ２０３）。

そして、その変動の程度が小さい時にはフレーム全体で
残差を符号化する（ステップ２０４）。一方、変動の程
度が大きい場合には、フレームを複数の副フレームに分
割して残差信号系列について符号化する（ステップ２０
５〜２０８）、即ち、残差信号の振幅変動包絡のパター
ンを量子化しくステップ２０５）、この量子化された変
動パターンで残差信号波形の振幅を正規化しくステップ
２０６）、各副フレームへ割りあてる情報を算出しくス
テップ２０７）、各副フレームごとに割りあてられた情
報量で残差信号を符号化する（ステップ２０８）。

復号化側では、補助情報が“全体″を示している場合は
フレーム全体の残差復号化を行う（ステップ２０９）。

補助情報が″分割″を示している場合は、まず残差パワ
ー包絡線を復号しくステップ２１０）、副フレームへの
情報割当を行う（ステップ２１１）。次に、これに従っ
て副フレームの残差復号化を行い（ステップ２１２）、
残差振幅補正する（ステップ２１３）。そして、この振
幅まで復元された残差系列を駆動音源として伝送された
線形予測パラメータｒによる合成フィルタで音声出力を
得る（ステップ２１４）。

第３図はパワー系列または残差パワー系列の包絡線を線
形予測分析で求める手順を示したものである。

二へで、ｔを変数とする信号系列をｕ　（ｔ）とし、そ
の２乗値をｖ　（ｔ）とする、まず、ｖ（ｔ）を（７）
式の形式でコサイン変換し、Ｖ　（ｋ）を得る（ステッ
プ３０１）。Ｌはフレーム内のサンプル数である。

次にに＝１からｐまでのＶ　（ｋ）をｖ（０）で正規化
し、相関関数ρ（ｋ）を得る（ステップ３０２）。

ρ（ｋ）＝Ｖ（ｋ）／Ｖ（０）　　（ｋ＝１−ｐ）　　
　　（８）次にρ（ｋ）を従って線形予測分析を行う（
ステップ３０３）。すなわち。

のコール・ウォーカ一方程式を解き、予測係数α、・・
・α２を求める。

時間軸パワー包絡ｈ　（ｔ）は、ｒを正規化残差パワー
として、（ｔ＝０・・・Ｌ−１）　（１０）と求まる（ステップ３０４）。

二＼でＶ　（Ｏ）はフレーム内紛パワーまたはフレーム
内残差総パワーであるから、実施例の場合、あらかじめ
正規化されて前の情報で伝送されているものとしている
。たりし、時間軸パワー包絡の形状ｈ　（ｔ）と一体と
して量子化することも可能である。

また、正規化残差ｒはα、・・・α、を求める段階で一
意に決定される。従って、ｈ（ｔ）の形状の再生にはα
１・・・α、またはこれと等価なパラメータセットが必
要である。また量子化特性や安定判別の点からＰＡＲ（
ＯＲ係数（ｋ□・・・ｋｉ’））やＬＳＰパラメータ等
、周波数領域でのパワースペクトル包絡の量子化に用い
られるパラメータで量子化することやベクトル量子化の
導入が有効となる。

第４図は本発明を音声の符号化（９、６Ｋｂｓｐ）に適
用し、フレーム全体の符号化と比較した例である。

同図（ａ）は音声波形（８Ｋ）Ｉｚサンプル、２５６点
１フレーム）、同図（ｂ）は線形予測残差（３倍に拡大
、予測次数１０次、予測パラメータは２４ビツトベクト
ル量子化）と線形予測による時間軸パワー包絡（８数分
析、破線は５ビツトベクトル量子化後）、同図（ｃ）は
フレーム全体の適応変換ベクトル符号化法による最終的
符号化誤差（３倍拡大）、同図（ｄ）はフレームを４つ
の副フレームに分割して正規化と情報割当を行ったとき
の符号化誤差（３倍拡大）である。この例では符号化誤
差を約２ｄＢ低減させており、平均的にも同程度の改善
効果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、分析フレーム内
での時間的パワーの偏りに合わせて歪が小さくなるよう
情報配分と正規化を行うため、フレーム内の量子化歪を
小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の符号化、復号化手順を示す
図、第２図は本発明の他の実施例の符号化、復号化手順
を示す図、第３図は原信号波形または残差信号波形のフ
レーム内の時間的パワー包絡を得るための手順を示す図
、第４図は副フレームに分割した符号化の例とフレーム
全体の符号化との符号化誤差を比較した図である。１０１・・・パワー正規化、　　１０２・・・包絡線推
定、１０３・・・振幅変動の比較、　　１０４・・・フ
レーム全体の符号化、　１０５・・・パワー包絡線量子
化。１０６・・・フレーム内振幅正規化、　　１０７・・・
副フレーム分割情報割当、　　１０８・・・副フレーム
内符号化。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）信号系列を１定サンプル数ごとに１フレームとし
てまとめ、一定の情報量で符号化する方法において、フ
レーム内での振幅変動の包絡線を推定し、振幅変動の程
度が設定値以下の場合はフレーム全体で符号化し、振幅
変動の程度が設定値以上大きい場合には、フレームを複
数の副フレームに分割し、振幅変動包絡線のパターンを
量子化し、量子化された振幅変動パターンで信号波形の
振幅を正規化し、各副フレームへ割りあてる情報を算出
して、副フレームごとに符号化することを特徴とする信
号符号化方法。
（２）振幅包絡線を推定する場合、２乗振幅系列をコサ
イン変換して相関関数を求め、その相関関数に基づく線
形予測分析でパワー包絡を求め、その平方根を振幅包絡
線とし、同時に、パワー包絡線の量子化を予測パラメー
タの量子化を介して行うことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の信号符号化方法。
（３）信号系列を一定サンプル数毎に１フレームとして
線形予測分析し、その予測残差を一定の情報量で符号化
する方法において、フレーム内での残差信号の振幅変動
の包絡線を推定し、振幅変動の程度が設定値以下の場合
はフレーム全体で残差を符号化し、変動の程度が設定値
以上の場合には、フレームを複数の副フレームに分割し
、残差信号の振幅変動包絡のパターンを量子化し、量子
化された変動パターンで残差信号波形の振幅を正規化し
、各副フレームへ割り当てる情報を算出して、各副フレ
ームごとに割りあてられた情報量で残差信号を符号化す
ることを特徴とする信号符号化方法。
（４）残差振幅包絡線を推定する場合、２乗残差振幅系
列をコサイン変換して相関関数を求め、その相関関数に
基づく線形予測分析で残差パワー包絡を求め、その平方
根を振幅包絡線とし、同時に、残差パワー包絡線の量子
化を予測パラメータの量子化を介して行うことを特徴と
する特許請求の範囲第３項記載の信号符号化方法。