JP2000268509A - 符号化装置 - Google Patents

符号化装置

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JP2000268509A
JP2000268509A JP11075170A JP7517099A JP2000268509A JP 2000268509 A JP2000268509 A JP 2000268509A JP 11075170 A JP11075170 A JP 11075170A JP 7517099 A JP7517099 A JP 7517099A JP 2000268509 A JP2000268509 A JP 2000268509A
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JP
Japan
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circuit
signal
frequency
waveform
bit stream
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JP11075170A
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English (en)
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Takehiko Kuran
武彦 九蘭
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Victor Company of Japan Ltd
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Victor Company of Japan Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の符号化装置で周波数分析手段として用
いられているFFTに代えて、単にGHAを用いただけ
では、符号化効率の大幅な向上は期待できない。 【解決手段】 局部復号回路15は出力ビットストリー
ムを局部復号する。波形延長回路16は、局部復号信号
に基づいて、既に符号化したフレームの局部復号による
波形を、まだ符号化していない次のフレームまで延長し
て次のフレームの予測信号とする。この予測信号とフレ
ーム化回路11からの次のフレームの原信号との差分信
号(予測残差)を減算回路12により得て、これを原信
号として周波数成分抽出回路13に供給してGHAによ
る周波数抽出を行う。これにより、単位時間当たりの抽
出成分数を減少できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は符号化装置に係り、
特にオーディオ信号を符号化する符号化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のオーディオ信号における符号化方
式は、時間周波数変換方式を基本としている。これは、
時間領域の入力信号を周波数領域に変換してから符号化
を行う方式で、周波数領域での信号の偏りや人間の聴覚
心理を利用した、効率的な符号化方式である。しかし、
この時間周波数変換方式による符号化方式で用いる高速
フーリエ変換(FFT)や変形離散コサイン変換(MD
CT)等の周波数分析方法では、周期的で調和的な信号
を分析する理論であり、信号を観測した観測区間の外で
は観測区間内の波形が周期的に繰り返すことを仮定して
いる。
【0003】しかしながら、上記の周波数分析方法で
は、実際には観測区間によって多数の異なった周波数成
分が抽出されることから、周波数領域信号には既に誤差
が含まれ、符号化効率が低下し、また、周波数分解能が
観測区間の長さに反比例することから、過渡的な信号の
分析を行う場合でも、観測区間長を余り短くすることが
できず、周波数分解能が不足し符号化効率が低下し、更
に、観測区間外の波形の予測が困難であることから、予
測残差の符号化による符号化効率の向上が期待できず、
また更に、定常的でない信号の周波数分析が困難である
等の欠点がある。
【0004】一方、調和的でない信号に拡張したフーリ
エ解析の理論も知られている。この理論は、一般調和解
析(Generalized Harmonic Analysis:GHA)と呼ば
れ、観測区間内で原波形から残差エネルギーが最小とな
る最も優勢な正弦波を抽出し、残差成分に同様の処理を
繰り返すという解析方法であり、定常的でない僅かな周
波数変動に対しても正確な周波数成分の抽出が可能であ
り、観測区間長と周波数の分解能は互いに独立して自由
な設定が可能であり、観測区間を越えて信号の予測が可
能であるなどの特徴がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】そこで、上記のGHA
はFFTやMDCTなどの調和解析よりも精度の高い周
波数分析が可能であるため、従来の符号化装置において
周波数分析手段として用いられているFFTなどに代え
てGHAを用いることが考えられる。この場合、周波数
分析をした成分のすべてを伝送するならば不連続波形は
生じないが、低ビットレート化のために大量の成分を捨
てるような場合は不連続波形が生じる可能性が高い。す
なわち、音楽信号のような非定常信号を分析した場合、
隣接したフレームA、Bを構成する周波数成分は大きく
異なり、従って例えば100本の周波数成分のうち、最
も優勢な周波数成分を10本だけ残したような場合に、
フレームA、Bで全く同じ周波数成分が残っていれば不
連続波形は生じないが、一般的にはそうとはいえず、本
数が少ない分だけ、フレームA、Bの残っている10本
の周波数成分の差異が小さい場合でも、不連続波形が生
じる可能性が高い。
【0006】このように、符号化方式における周波数分
析手段としてGHAを採用した場合でも、特に符号化し
たビットストリームのビットレートが低い場合には、観
測区間の継ぎ目における不連続波形が復号時に生じるこ
とがあるため、符号化部において、上記の不連続波形が
復号時に生じないようにするには観測区間を符号化時に
重複させる必要があり、符号化効率の大幅な向上は期待
できないという問題がある。
【0007】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
GHAを使用しても符号化効率を大幅に向上し得る符号
化装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、入力ディジタルオーディオ信号を複数のサ
ンプルからなるフレームに分割するフレーム化回路と、
フレーム化回路から取り出されたフレーム内の信号と予
測信号との差分信号を得る減算回路と、減算回路からの
差分信号に対して、一般調和解析により周波数分析し
て、複数の周波数抽出成分を出力する周波数成分抽出回
路と、周波数成分抽出回路により抽出された複数の周波
数抽出成分の情報量を削減した符号化を行ってビットス
トリームとして伝送路へ送出する情報量削減回路と、情
報量削減回路の出力ビットストリームを局部復号する局
部復号回路と、局部復号回路の出力復号信号の波形を、
符号化していない次のフレームの区間に波形延長して予
測信号を生成して減算回路へ出力する波形延長回路とを
有する構成としたものである。
【0009】この発明では、局部復号信号に基づいて、
符号化していない次のフレームの区間に波形延長した予
測信号を生成するようにしたため、次のフレームの区間
の原信号と上記予測信号との予測残差に対して、周波数
成分抽出回路による周波数分析ができる。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面と共に説明する。図1は本発明になる符号化装置
の一実施の形態のブロック図を示す。同図において、符
号化装置はGHAによる周波数解析回路10、情報量削
減回路14、復号信号を出力する局部復号回路15及び
予測信号を出力する波形延長回路16より構成されてい
る。周波数解析回路10は、入力ディジタルオーディオ
信号をフレーム単位に分割するフレーム化回路11と、
フレーム化回路11の出力オーディオ信号と波形延長回
路16からの予測信号とを減算する減算回路12と、減
算回路12の出力信号から複数の周波数成分を抽出する
周波数成分抽出回路13とより構成されている。
【0011】次に、この実施の形態の動作について図2
及び図3のフローチャート、図4乃至図6の信号波形図
を併せ参照して説明する。ディジタルオーディオ信号
は、図1のフレーム化回路11に供給され、ここで複数
のサンプルからなる観測区間(フレーム)に分割され
る。このとき、フレームは必ずしも重複させる必要はな
い。波形延長回路16から予測信号が出力されない場合
は、フレーム化回路11によりフレームに分割されて取
り出されたディジタルオーディオ信号は、減算回路12
をスルーして周波数成分抽出回路12に供給され、ここ
でフレーム単位でフレーム内の信号の周波数成分が、図
2及び図3に示すフローチャートの手順に従って一般調
和解析(GHA)により抽出される。
【0012】すなわち、まず、1フレームのディジタル
オーディオ信号が入力されると(図2のステップ10
1)、その1フレームの信号から、残差信号が最も小さ
くなるような周波数成分を1本だけ抽出する(図2のス
テップ102)。続いて、抽出した周波数成分を除いた
原信号、すなわち残差は十分に小さいかどうか判定し
(図2のステップ103)、残差が所定のしきい値より
大きいときは上記のステップ102の処理を残差に対し
て再び行い、残差が十分に小さくなった時点で分析を終
了する。そして、得られた分析結果が図1の情報量削減
回路14へ出力される(図2のステップ104)。
【0013】図3は上記のステップ102の詳細処理を
示すフローチャートで、上記のステップ103も併せて
図示している。ステップ102の周波数成分分析処理に
ついて、図3のフローチャートと共に更に詳細に説明す
るに、入力された1フレームの信号から、ある周波数f
の信号を1つ選択し(図3のステップ201)、短時間
の観測区間[0,L]で観測された連続信号x0(t)
から一意的に決まるフーリエ係数S(f)及びC(f)
を次式により計算する(図3のステップ202)。
【0014】
【数1】 ただし、(1)式及び(2)式中、fは任意の周波数、
Tは周期で1/f、nは整数、nT≦Lである。
【0015】続いて、上記のフーリエ係数S(f)及び
C(f)を用いて、次式により観測区間における残差信
号ε(t,f)と、そのエネルギーE(f)を算出する
(図3のステップ203)。
【0016】
【数2】 続いて、上記の周波数fが最後の周波数成分かどうか判
定し(図3のステップ204)、最後の周波数成分でな
ければ、ステップ201〜203の処理を再び行う。こ
のようにして、1フレームのすべての周波数成分につい
て、上記の(1)式〜(4)式の計算を行い、そのうち
(4)式で表されるエネルギーE(f)を最小とする周
波数f1とフーリエ係数S1(f1)、C1(f1)を求め
る。このときの周波数f1が最優勢スペクトルであり、
これが選択される(図3のステップ205)。
【0017】次に、次式 x1(t)=x0(t)−S1(f1)sin(2πf1t) −C1(f1)cos(2πf1t) (5) により、原信号x0(t)からステップ205で求めた
周波数f1の最優勢スペクトルによる最優勢成分を削除
し、残差x1(t)を求める(図3のステップ20
6)。
【0018】続いて、この残差x1(t)が十分に小さ
いかどうか判定する(図3のステップ103)。ここ
で、このステップ103での判定は、予め設定した所定
のしきい値と残差x1(t)を大小比較した比較結果に
基づいて行ってもよいが、ここでは残差x1(t)が十
分に小さくなるであろうと期待される予め設定したN
回、残差x1(t)を原信号と見なしてステップ201
〜206の処理を繰り返したかどうかで判定する。
【0019】これにより、原信号x0(t)は、観測区
間[0,L]において次式のx(t)で表される。
【0020】
【数3】 (6)式のように、f1,f2,...,fNの、計N本
の正弦波(周波数抽出成分)の重ね合わせで、高精度に
推定できる。これらの正弦波は調和的(基本波の整数倍
の周波数)とは限らない。なお、(6)式で表される信
号x(t)のパワーレベルP(fk)は、S 2 k+C 2 k
で表される。
【0021】このようにして得られた周波数抽出成分
は、図1の情報量削減回路14に供給され、ここで設定
パワーレベルより小さいパワーレベルの周波数抽出成分
は出力されないことで、情報量が削減されると共に、更
に設定パワーレベル以上のパワーレベルの周波数抽出成
分に対して、ハフマン符号化などの可逆圧縮符号化によ
る情報量の削減がなされて得られたデータに、周波数抽
出成分数を記録したヘッダ情報を付加して得られたビッ
トストリームが任意の伝送路へ送出される。
【0022】また、上記のビットストリームは、局部復
号回路15に供給されて復号される。この復号信号は波
形延長回路16に供給されて、既に符号化したフレーム
の局部復号による波形を、まだ符号化していない次のフ
レームまで延長して次のフレームの予測信号とされる。
例えば、局部復号回路15から取り出される復号信号
が、1フレーム区間である区間Aにおいて図4にIで示
す如き波形の信号であるものとすると、波形延長回路1
6はこの区間Aの局部復号信号に基づいて、(6)式の
時間tを区間Aの範囲として求めたx(t)を用いて、
時間tを区間Bの範囲として区間Bの信号を予測的に合
成して、図5に点線IIIで示す予測信号を生成する。
【0023】この予測信号IIIは減算回路12に供給さ
れ、フレーム化回路11より出力された、次の区間Bの
原信号(図4にIIで示す)と減算されて、図6にIVで示
す如き差分信号とされ、この差分信号が区間Bの原信号
として周波数成分抽出回路13に供給されて前述した周
波数成分抽出が行われ、複数の周波数成分が抽出され
る。
【0024】このように、予測残差に対して得られた周
波数抽出成分は、図1の情報量削減回路14に供給さ
れ、ここで前述したように、設定パワーレベルより小さ
いパワーレベルの抽出成分は出力されないことで、情報
量が削減されると共に、更に設定パワーレベル以上のパ
ワーレベルの周波数抽出成分に対して、ハフマン符号化
などの可逆圧縮処理による情報量の削減がなされ、更に
周波数抽出成分数を記録したヘッダ情報を付加して得ら
れたビットストリームが任意の伝送路へ送出される。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
局部復号信号に基づいて、符号化していない次のフレー
ムの区間に波形延長した予測信号を生成することによ
り、次のフレームの区間の原信号と上記予測信号との予
測残差に対して、一般調和解析によって周波数成分抽出
を行うようにしているため、単位時間当たりの周波数成
分をできるだけ少ない本数で抽出でき、このことから符
号化効率を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態のブロック図である。
【図2】図1中の要部の動作説明用フローチャートであ
る。
【図3】図2の要部の周波数成分抽出ステップを詳細に
説明するフローチャートである。
【図4】図1のフレーム化回路から出力される原信号波
形の一例の波形図である。
【図5】図1における予測信号波形の一例を示す図であ
る。
【図6】図1における差分信号波形の一例を示す図であ
る。
【符号の説明】
10 周波数解析回路 11 フレーム化回路 12 減算回路 13 周波数成分抽出回路 14 情報量削減回路 15 局部復号回路 16 波形延長回路
フロントページの続き Fターム(参考) 5D044 AB05 DE03 GK08 HL11 5D045 DA02 DA20 5J064 AA02 BA09 BB01 BC02 BC08 BC22 BD02 9A001 BB02 BB04 EE04 GG12 HH15 HH16

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力ディジタルオーディオ信号を複数の
    サンプルからなるフレームに分割するフレーム化回路
    と、 前記フレーム化回路から取り出されたフレーム内の信号
    と予測信号との差分信号を得る減算回路と、 前記減算回路からの前記差分信号に対して、一般調和解
    析により周波数分析して、複数の周波数抽出成分を出力
    する周波数成分抽出回路と、 前記周波数成分抽出回路により抽出された複数の周波数
    抽出成分の情報量を削減した符号化を行ってビットスト
    リームとして伝送路へ送出する情報量削減回路と、 前記情報量削減回路の出力ビットストリームを局部復号
    する局部復号回路と、 前記局部復号回路の出力復号信号の波形を、符号化して
    いない次のフレームの区間に波形延長して前記予測信号
    を生成して前記減算回路へ出力する波形延長回路とを有
    することを特徴とする符号化装置。
  2. 【請求項2】 前記情報量削減回路は、入力周波数抽出
    成分のうち、設定パワーレベル以上のパワーレベルの周
    波数抽出成分に対して圧縮符号化を行って得たデータ
    に、周波数抽出成分数を記録したヘッダ情報を付加した
    前記ビットストリームを生成することを特徴とする請求
    項1記載の符号化装置。
JP11075170A 1999-03-19 1999-03-19 符号化装置 Pending JP2000268509A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008547043A (ja) * 2005-06-17 2008-12-25 ディーティーエス (ビーヴィーアイ) リミテッド スケール調節可能な圧縮されたオーディオビットストリーム、並びに階層的フィルターバンクおよび多チャンネルジョイントコーディングを使用したコーデック
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