JPS6319921A - 音声符号化方式 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、音声符号化方式に関する。

［従来技術］ 例えば、高速デジタル回線を用いて音声信号を伝送した
り、音声応答装置のために音声信号を蓄積および合成す
るなど音声信号をデジタル処理するとき、この音声信号
をなんらかの方法でデジタル信号に変換する必要がある
。

基本的には音声信号は周波数帯域が０．３〜３．４ＫＨ
ｚのアナログ信号であり、これをデジタル信号に変換す
るには、例えばサンプリング周波数８ＫＩＩｚで分解能
が８ビツトのアナログｌデジタル変換器で変換すればよ
い（ＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｃｏｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉ
ｏｎ）符号化）。

そして、このデジタル信号を元の音声信号に戻すには、
サンプリング周波数８ＫＨｚで分解能が８ビツトのデジ
タル／アナログ変換器でアナログ信号に変換し、さらに
ローパスフィルタを通して波形整形してやればよい。こ
のとき、アナログ／デジタル変換器およびデジタル／ア
ナログ変換器の分解能（すなわちＰＣＭ符号のビット幅
）が大きいほど再生した音声の品質が高い。

ところで、このようなＰＣＭ符号化された音声信号は１
秒あたりのビット速度（データ速度；以下ビットレート
という）が６４Ｋｂｐｓとなり、このように高いビット
レートの音声信号を伝送するには非常に高速な伝送路を
必要とし、また、かかる音声信号を蓄積するためには厖
大な記憶容量のメモリを必要とする。そこで、従来から
、音声信号のビットレートを低減するための種々の提案
がなされている。

その１つに、時系列的に隣接するＰＣＭ符号の差分を形
成する差分ＰＣＭ符号化方式がある。この差分ＰＣＭ符
号化方式は、音声波形の相関性に基づく冗長性を利用し
たものであり、隣接したサンプル間の値の変化が、多く
の場合ダイナミック・レンジの限られた範囲に含まれる
ことから、１サンプルあたりのビット数を低減すること
ができる。この差分ＰＣＭ符号化方式をさらに進めた適
応差分ＰＣＭ符号化方式の１つである。　ＣＣＩＴＴ（
国際電信電話諮問委貝会）勧告による適応差分ＰＣＭ方
式（ＡＤＰＣＭｆ）では、３２Ｋｂｐｓのビットレート
を実現している。

この他には、音声信号の非定在性と線形予測可能性を利
用したＡＰＣ−ＡＢ（Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｐｒｅｄｉｃ
ｔｉｏｎ　Ｃｏ−ｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ａｄａｐｔｉｖ
ｅ　Ｂｉｔ　Ａ１１ｏｃａｔｉｏｎ）方式、または、音
声分析合成手法によるＬＳＰ（Ｌｉｎｅ　Ｓｐｅｃｔｒ
ｕｍＰａｉｒ）方式などがある。

しかしながら、このようなＡＤＰＣＭｆ方式、ＡＰＣ−
ＡＢ方式およびしＳＰ方式は、符号化および復号化の処
理が非常に複雑であり、それらを実現するための装置は
非常に高価なものとなるという不都合がある。

一方、放送衛星用の高品位なＰＣＭ音声伝送方式の１つ
に準瞬時圧伸方式がある。この準瞬時圧伸方式は、ＰＣ
Ｍ符号化された音声データを時系列に所定数ごとのブロ
ックに分割し、おのおののブロックにおける信号絶対値
の最大値に対応した最上位桁をあらわすスケールデータ
を識別し、その最上位桁を含む所定ビット数のデータを
符号データに整形するものであり、比較的符号化処理が
簡単で、かつ、容易に１サンプルのビット数を低減する
ことが可能である。しかしながら、このような準瞬時圧
伸方式は、効率的には充分なものではなり１゜ そこで、この準瞬時圧伸方式の効率を改善する手法とし
てｒ差分ＰＣＭ方式と準瞬時圧伸との結合」が考えられ
るが、一般に単に準瞬時圧伸を差分ＰＣＭ方式に適用し
ただけでは、圧縮時の欠落ビットが伝送誤差を生じ、受
信側の積分器で誤差が累積して受信不能となる噌 このような問題を解決する１つの方法として、「欠落ビ
ットのアキュムレーションによる差分圧伸ＰＣＭ　（Ｄ
Ｃ−ＰＣＭ）Ｊ　（高橋ほか、電子通信学会論文誌’８
４／１０　Ｖｏｌ、Ｊ６７−Ｂ　Ｎｏ、ＬＯ）が提案さ
れている。

しかしながら、この方法は１５ビット程度の差分データ
を８ビット程度に圧縮する場合に有効であり、８ビツト
の差分データを３ビット程度に圧縮するような低ビツト
レートの符号化方式には適用できない。

すなわち、このような低ビツトレートの場合にはブロッ
ク間において音声波形の振幅が大幅に変化したときなど
ブロック間でスケール位置が大幅に変動することがあり
、そのためにアキュムレーションされている誤差信号の
方が伝送すべき有効なデータよりも大きな値となること
がある。かかる場合には、伝送すべきデータが誤差信号
に埋もれてしまい、適正なデータ伝送を実現できない。

［目的］ 本発明は、上述した従来技術の不都合を解消するために
なされたものであり、低ビツトレートで、簡単な処理に
より、高品質な音声を再現できる音声符号化方式を提供
することを目的としている。

［構成コ 本発明は、まず、準瞬時圧縮によって形成した符号デー
タの欠落ビットの信号値の期待値とその信号値との誤差
を累積し、その累積値が桁上がりを生じたときには最下
位桁に１を加算し、また累積値が桁下がりを生じたとき
には最下位桁から１を減じることによって符号データを
補正する。そして、このようにして形成された符号デー
タを復号化するとき、符号データの最下位桁よりも１桁
下位桁に１をすなわち欠落ビットの信号値の期待値を加
算することで、伝送されないビットのデータの期待値を
補償する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細
に説明する。

まず、本発明の原理について説明する。

例えば、第１図に実線で示したような波形の音声信号を
サンプリング周波数８ＫＨｚでサンプリングしておのお
ののサンプルを８ビツトのデジタルデータ（ＰＣＭ符号
）に変換し、このデジタルデータの差分値を準瞬時圧伸
することを考える。また、準瞬時圧伸の条件としては、
１ブロツクを構成するサンプルの数は８、おのおののサ
ンプルを４ビツトに圧縮し、またスケール値を３ビツト
であられすものとする。なお、８ビツトの差分値は、２
の補数であられされたデジタルデータであり、最上位桁
がサインビット（正負を識別するための符号ビット）で
ある。

ここで、１つのブロックを形成する８つのサンプル＃１
−１８における差分値がそれぞれ第２図（ａ）に示した
ように得られたとする。

この８つのサンプルからなるブロックにおいて。

その絶対値が最大となるのはサンプル＃７のデータであ
るから、そのビットパタンの最上位桁の位置すなわちビ
ット５が準瞬時圧伸のスケール値［ＰＯ３に設定される
。

そして、おのおののサンプル１１〜Ｉ８について、この
スケール位置よりも１桁上位桁のビット６から下位４桁
を伝送ビットすなわち符号データとして抜き出す、した
がって、符号データのＭＳＢ　（最上位桁）には、その
符号データの正負の区別をあらわすサインビット（符号
ビット）が位置する。

この結果、同図（ｂ）に示したように、準瞬時圧伸によ
る符号化データが得られる。すなわち、先頭３ビツトに
はスケール値＠　ＰＯＳのデータが配置され、それに続
いてサンプル＃１〜＃８において抜き出された４ビツト
の符号データが順次配置される。

この符号化データを復号して音声信号を再生するときは
、まず、先頭３ビツトの内容からスケール位置ｐｏｓを
識別する。

次に、後続するデータを４ビツトずつの符号データに順
次区切り、その符号データのＭＳＢが、さきに識別した
スケール位置ＰＯ８よりも１桁上位桁に位置するように
、８ビツトデータのなかに配置し、その符号データより
も上位桁にはその符号データのＭＳＢの内容（すなわち
サインビットの内容）を配置し、その符号データよりも
下位桁には０を配置することで、８ビツトの復号差分値
を伸張する（同図（Ｃ）参照）。

そして、この復号差分値を積算してサンプル毎の音声デ
ータを復号し、この音声データをデジタル／アナログ変
換してローパスフィルタで波形整形することで、音声信
号が再生される。

さて、このような準瞬時圧伸によれば、伝送ビットより
も下位桁のビットには０が挿入されて復号されるから、
この場合、復号差分値は、元の８ビツトの差分値（以下
原差分値という）から欠落した下位３ビット分だけ元の
音声データよりも量子化幅が大きくなる。

すなわち、原差分値の符号時における量子化特性が、第
３図（ａ）に実線で示したようなものであるのに対し、
復号差分値の量子化特性は同図に破線で示したようにな
る。

その結果、原差分値において復号差分値の量子化幅では
表現できない部分のデータは、復号差分値においては、
同図に矢印で示したようにより下のレベルとして表わさ
れるから、復号差分値は原差分値に較べて全体的にマイ
ナス方向にシフトした状態のデータとなる。

このため、復号差分値に基づいて再生した音声信号はか
かる誤差が累積された状態になるため、第１図に一点鎖
線で示したように、その波形が原音声と著しく誤差を生
じる。

そこで本発明では、かかる不都合を緩和するために、ま
ず、符号データの最下位桁の１７２の値を加算して復号
差分値を形成している。

すなわち、上述した＄瞬時圧伸によれば、伝送ビットの
下位桁のデータが欠落するが、この欠落ビットのデータ
の値は、例えば欠落ビットが３ビツトであるときには（
０００）２〜（１１１）２のいずれかの値をとる。

したがって、この欠落ビットの期待値は（ｔｏｏ）ｚで
あり、この期待値を加算すれば、加算しないときと較べ
て復号差分値を原差分値により接近させることができ、
再生した音声信号の音質を向上することができる。すな
わち、このときの復号差分値の量子化特性は、第３図（
ｂ）に破線で示したように改善される。

このようにして、符号化データを復号すると、第２図（
ｂ）の符号化データからは同図（ｄ）に示したような復
号差分値を得ることができ、この復号差分値に基づく再
生音声信号は、第１図に二点鎖線で示したようなものと
なり、より原音声に接近したものとなる。

またこれとは別に、前述したようなりＣ−ＰＣＭ符号化
方式によっても、差分値を準瞬時圧縮したときの音声信
号の音質を改善することができる。

そこで次に、このＤＣ−ＰＣＭと上述した復号処理とを
組み合わせることを考える。

ただし、復号処理において符号データの欠落ビットの期
待値を加算するので、符号化時においては、符号データ
の欠落ビットの信号値と、その欠落ビットの信号値の期
待値との誤差を累積する。

そして、その累積値が桁上がりを生じたときには符号デ
ータの最下位桁に１を加算し、またその累積値が桁下が
りを生じたときには符号データの最下位桁から１を減じ
ることで、符号データを補正する。

すなわち、第２図（ｅ）　、　（ｆ）に示したように、
スケール位置がビット５であり、符号データに４ビツト
を割り当てると、欠落ビットはビット２〜ピツト０の３
ビツトとなる。

したがって、おのおののサンプルにおいて、欠落ビット
の信号値の期待値（１００）２と欠落ビットの信号値と
の誤差（以下量子化誤差という）は、同図（ｆ）にＡで
示したような値となり、その累積値は同図にＢで示した
ような値となる。このとき、マーク「ｅ」で示した部分
で累積値が桁上がりを生じたので符号データの最下位桁
に１を加算し、マーク「ｅ」で示した部分で累積値が桁
下がりを生じたので符号データの最下位桁から１を減じ
ている。

このようにして形成した符号データから上述した方法に
よって復号差分値を復号すると、第２図（ｇ）に示した
ような値が各サンプルで得られ、これに基づいて音声信
号を再生すると、第１図に破線で示したような音声信号
を得ることができる。

このようにして、より原音声に接近した音声信号を再生
することができる。

第４図は、本発明の一実施例にかかる音声符号化装置を
示している。この音声符号化装置における準瞬時圧伸の
条件は、上述したものを用いている。

同図において、入力音声信号ＳＳは、ローパスフィルタ
１によって帯域制限されたのちに、サンプリング周波数
が８ＫＨｚのアナログ／デジタル変換器２に加えられて
８ビツトのデジタル信号ＤＳに変換され、遅延要素と加
減算器からなる差分データ形成回路３に加えられる。

差分データ形成回路３は、入力したデジタル信号Ｏ５の
連続する２つのサンプル間の差分を形成し、その差分に
対応した差分データＤＯを形成する。

この差分データＤＤは、８サンプル分の記憶容量をもつ
バッファメモリ４を介して準瞬時圧縮部５およびアキュ
ムレータ６に加えられるとともに、準瞬時圧縮のための
スケール値を設定するためのスケール値設定部７に加え
られている。

スケール値設定部７は、デジタル信号ＤＳの連続する８
サンプルのうち、最も絶対値の大きいものを識別し、そ
のビットパタンの最上位桁を判別してそのビット位置を
３ビツトのスケールデータＤＫで出力する。

このスケールデータＤＫは、準瞬時圧縮部５、アキュム
レータ６および１ブロック分のデータを所定の信号形式
に整形するためのマルチプレクサ８の一入力端に加えら
れている。

準瞬時圧縮部５は、バッファメモリ４から加えられる８
ビツトの差分データＤＤについて、おのおののサンプル
毎に、スケール値設定部７から加えられるスケールデー
タＤＫがあらわすスケール位置よりも１ビツト上位桁を
ＭＳＢとする４ビツトのデータを抜き出すとともに、ア
キュムレータ６からキャリ信号ＣＣが出力されているサ
ンプルについてはそのデータの最下位桁に１を加算し、
アキュムレータ６からボロー信号ＢＲが出力されている
サンプルについてはそのデータの最下位桁から１を減算
し。

アキュムレータ６からキャリ信号ＣＣもボロー信号ＢＲ
も出力されていないサンプルについてはそのデータをそ
のままの状態で、それぞれ圧縮差分データＤＣとしてマ
ルチプレクサ８に出力している。

アキュムレータ６は、スケールデータＤＫに基づいてバ
ッファメモリ４から加えられる差分データＤＤのうち欠
落ビットになる部分を抽出し、その欠落ビットの信号値
の期待値とその抽出した欠落ビットの信号値の誤差を算
出してその誤差を累積し、その累積値が桁上がりを生じ
たときにはキャリ信号ＣＣを準瞬時圧縮部５に出力する
とともにその累積値が桁下がりを生じたときにはボロー
信号ＢＲを準瞬時圧縮部５に出力する。

マルチプレクサ６は、第５図に示したように、スケール
値設定部５から出力されたスケールデータＤＫを先頭に
配置し、それに続いて各サンプルの圧縮データＤＣを順
次配置して構成した信号を、１ブロック分の符号化デー
タＤしとして形成して次段装置（例えばデータ伝送装置
あるいはデータ記憶装置等）に出力する。

このようにして、上述した符号化方式により。

入力された音声信号ＳＳが符号化圧縮されて符号化デー
タＤＬとして出力される。

第６図は、本発明の一実施例にかかる音声復号化装置の
一例を示している。この音声復号化装置は、上述した音
声符号化装置によって符号化された符号化データＤＬを
上述した復号化処理によって復号して音声信号を出力す
るものである。

同図において１例えばデータ受信装置あるいはデータ記
憶装置等の前段装置（図示略）から出力された符号化デ
ータＤＬは、デマルチプレクサ１１に加えられ、おのお
ののブロック毎に、先頭の３ビツトがスケール値ＳＣと
して識別されて準瞬時伸張部１２のスケール値入力端に
加えられ、それ以外のコードデータ（圧縮データ）は、
準瞬時伸張部１２のコードデータ入力端に加えられる。

準瞬時伸張部１２は、加えられるコードデータを４ビツ
トずつに区切るとともに、入力したスケールデータＳＣ
に対応した８ビツトデータにおけるビット位置にその４
ビツトのデータを配置し、そのコードデータよりも上位
桁には符号ビットの内容を、１桁下位桁には１を、さら
に下位桁にはＯをそれぞれ配置して８ビツトの復号差分
値を復号し、この復号差分値を遅延要素と加算器からな
る積分部１３に出力する。

精分部１３は、入力される復号差分値を積算して各サン
プル点における信号値を再生し、その信号値をデジタル
／アナログ変換器１４に出力する６デジタル／アナログ
変換器Ｉ４は、受入した信号値を８ＫＨｚの変換周波数
で対応するアナログ信号（レベル信号）に変換し、これ
をローパスフィルタ１５に出力する。このアナログ信号
は、ローパスフィルタ１５によって波形整形されたのち
、再生音声信号として次段装置（例えば音声出力装置等
）に出力される。

このように、本発明にかかる符号化データを復号するた
めの音声復号化装置の構成は、非常に簡単なものとなる
。したがって１例えば、汎用の８ビツトマイクロプロセ
ツサを用いてこの音声復号化装置を実現することもでき
、コストを極く小さく抑えることができる。

なお、上述した実施例におけるビット数等の各種定数は
一例であり、適宜な値を設定することができる。

［効果］ 以上説明したように１本発明によれば、まず、準瞬時圧
縮によって形成した符号データの欠落ビットの信号値の
期待値とその信号値との誤差を累積し、その累積値が桁
上がりを生じたときしこは最下位桁に１を加算し、また
累積値が桁下がりを生じたときには最下位桁から１を減
じることによって符号データを補正する。そして、この
ようにして形成された符号データを復号化するとき、符
号データの最下位桁よりも１桁下位桁に１をすなわち欠
落ビットの信号値の期待値を加算することで、伝送され
ないビットのデータの期待値を補償しているので、低ビ
ツトレートで、簡単な処理により、高品質な音声を再現
できるという優れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための波形図、第２図
（ａ）−（ｇ）は本発明の詳細な説明図、第３図（ａ）
。 （ｂ）は本発明の詳細な説明するための信号配置図、第
４図は本発明の一実施例にかかる音声符号化装置を示し
たブロック図、第５図は符号化データの一例を示した信
号配置図、第６図は本発明にかかる音声復号化装置を示
したブロック図である６１．１４・・・ローパスフィル
タ、２・・・アナログ／デジタル変換器、３・・・差分
データ形成回路、４・・・バッファメモリ、５・・・準
瞬時圧縮部、６・・・アキュムレータ、７・・・スケー
ル値設定部、訃・・マルチプレクサ、１１・・・デマル
チプレクサ、１２・・・準瞬時伸張部。 １３・・・積分部、１４・・・デジタル／アナログ変換
器。 、　／−゛ 代理人　弁理士　　紋　１）　誠 ゝ−ノ□ 第１図 第２図 ＰＯ５（Ｃ） 墨 第２図 （ｄ） １１１１！Ｉ１１ 第２図 第３図 （ａ） （ｂ） 第５図 ＯＬ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ＰＣＭ符号化された音声データのうち隣接するサンプ
   ル間の差分値を形成してその差分値を時系列に所定数ご
   とのブロックに分割し、おのおののブロックにおける差
   分値の絶対値の最大値に対応した最上位桁をあらわすス
   ケールデータを識別し、その最上位桁を含む所定ビット
   数のデータを符号データに整形して上記音声データを圧
   縮する音声符号化方式において、上記符号データに含ま
   れなかった欠落ビットの信号値の期待値と欠落ビットの
   信号値との誤差を累積し、その累積値が桁上がりを生じ
   たときには最下位桁に１を加算するとともに、その累積
   値が桁下がりを生じたときには最下位桁から１を減算し
   て当該サンプルの符号データを補正し、この符号データ
   を復号するとき、上記スケールデータがあらわす最上位
   桁におのおのの符号データの最上位桁を一致させた状態
   で復号後の所定ビット数のデータにその符号データを配
   置するとともに、その符号データよりも上位桁には当該
   符号データの最上位桁の内容を配置し、当該符号データ
   の最下位桁が位置する桁の１桁下位桁に１を配置し、そ
   れよりも下位桁には０を配置することを特徴とする音声
   符号化方式。