JP2004507191A - デジタル入力信号のワード長を低減する方法及び装置並びにデジタル入力信号を回復させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

デジタル入力信号（Ｍ_ｉ）のビット数を減少させる方法及び信号処理装置は、中間信号（Ｄ_ｉ）を得るために、ノイズパラメータ（Ｎ_ｐ）により規定される擬似ランダムノイズ信号（Ｎ_ａ）をデジタル入力信号（Ｍ_ｉ）に加えるステップと、ワード長がｎビットの中間信号（Ｄ_ｉ）をワード長がｍビットに低減した信号（Ｍ_ｅ）に量子化するステップとを有する（ｎはｍ以上）。この方法は、更に、非線形装置パラメータ（ＮＬＤ_ｐ）により規定される、非線形の第一変換関数を使用する中間信号（Ｄ_ｉ）を量子化するステップを有する。また、本発明は、本発明に基づいた方法により提供される、ワード長が低減された信号（Ｍ_ｅ）から出力信号（Ｍ_ｏ）を回復させる方法及び信号復号処理装置に関する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中間信号を得るために、ノイズパラメータで規定される擬似ランダムノイズ信号をデジタル入力信号に加えるステップと、ワード長がｎビットの中間信号をワード長がｍビットのワード長の低減された信号へ量子化するステップ（ｎはｍ以上）とを有する、デジタル入力信号のビット数を減少させる方法に関する。他の側面として、本発明は、ノイズパラメータによって規定されるノイズ信号を発生するための擬似ランダムノイズ発生装置と、ノイズ信号をデジタル入力信号に加えて中間信号を提供する、ノイズ発生装置に接続された付加要素と、ワード長がｎビットの中間信号をワード長がｍビットのワード長の低減された信号へ変換するための、付加要素に接続された第一量子化要素とを有する信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
英国特許出願公開公報ＧＢ−Ａ−２ ２９３ ２９７に、ワード長３２ビットの入力デジタル信号を処理し、解像度のより低い出力デジタル信号（１６ビット）を発生させる装置が記載されている。そのデジタル信号をより低解像度の出力信号に変換する前に、擬似ランダムノイズが入力デジタル信号に加えられている。３２ビットから１６ビットの量子化へのハーシュ線形変換関数を平滑化するためにノイズを加えることにより、信号のディザリングが起こる。このデジタル信号を再現するときには、同一のノイズ信号が、記録された信号から引かれ、実質的にノイズのない１６ビット信号が得られる。ノイズ信号及びデジタル信号の同期化は、記録された信号からインジケーター信号を再生成することにより達成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現在コンパクトディスクなどの記録媒体に記録するための信号の量子化は１６ビットに限定されており、最大ダイナミックレンジは９６ｄＢしか得られていない。より高いダイナミックレンジとなるより長いワード長を持つデジタル信号を記録するために同一の記録方法を使用することは可能ではあるが、そのような記録は再生用の従来のシステムとは互換性がない。ＧＢ−Ａ−２ ２９３ ２９７に示された方法及びシステムは、量子化前にノイズを信号に加えることにより信号再生の品質を向上させるが、同期化及びノイズパラメータのデータが記録信号に含まれているため、記録信号の同一コピーが可能である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
よって本発明では、標準化された１６ビットのＣＤ信号のようなワード長の低減された信号の再生のための方法と装置との互換性を保ちつつ、増幅されたダイナミックレンジを持つデジタル信号のワード長を低減するための方法及び装置を提供することを目的とする。更に、本発明により量子化された信号のコピー防止方法を提供することが可能になるはずである。
【０００５】
本発明は中間信号の量子化のステップが、非線形装置パラメータで規定される非線形な第一変換関数を使用するという、冒頭における方法を提供する。ノイズパラメータと非線形装置パラメータとを適当に選択することにより、品質は低下するが、従来の手段により回復又は再生することが可能である、ワード長の低減された信号を得ることが可能となる。ｎがｍと等しいときは、ビット長さの低減は生じないが、非線形変換装置の効果及びノイズの追加の効果は残る。
【０００６】
他の実施例では、振幅が小さい場合の第一変換関数の量子化ステップは振幅が大きい場合の量子化ステップよりも小さくなる。好適には、第一変換関数のゲインは振幅が小さい場合と実質的に等しく、振幅が大きい場合のゲインは減少する。変換関数の一つの例はＭ_ｅ／Ｄ_ｉ＝ｃ_１ｔａｎｈ（ｃ_２Ｄ_ｉ＋ｃ_３）という関数により与えられ、このときＭ_ｅはワード長が低減された信号であり、Ｄ_ｉは中間信号であり、そしてｃ_１、ｃ_２、ｃ_３は非線形装置パラメータである。第一変換関数は、ワード長の低減された信号のディストーション（歪み）の量を決定する。人間の耳は振幅の大きな信号のノイズよりも振幅の小さい信号のノイズに対して敏感である。この心理聴覚の影響により、品質を低下させてもその信号を聞き分け可能で聞こえる大きさに保ちつつ、ワード長の低減された信号を低下させるためにノイズを加え、低減された品質となることを許容する。
【０００７】
他の実施例では、ノイズ信号の振幅は最低でも既定のノイズの値と等しい。この既定のノイズの値は、振幅の大きい信号であってもディザー効果が提供されることを保証するように選択される。
【０００８】
より好ましい特性をもつノイズ信号を得るためにノイズ成形技術を適用することも可能である。
【０００９】
更に他の実施例では、ワード長の低減された信号、非線形装置パラメータ、及び／又はノイズパラメータが記録媒体に記録される。例えば記録媒体はコンパクトディスクであり、ワード長の低減された信号は第一のチャンネルに、非線形装置パラメータ及び／又はノイズパラメータは第二のチャンネルに記録される。ここで、第一のチャンネルと第二のチャンネルは別個のチャンネルである。このことにより、品質の低いワード長の低減された信号、例えばプレビュー（視聴といったほうがよいが）が提供されることが可能になる。受信者が非線形装置パラメータ及びノイズパラメータを受信するときのみ、元々の完全な品質のデジタル信号を回復することが可能になる。非線形装置パラメータおよびノイズパラメータはワード長の低減された信号とは別個のチャンネルから配信されるため、本方法は高品質信号のコピー防止の能力を提供する。
【００１０】
また、本方法は、中間信号からワード長の低減された信号を引いたものに等しい差信号を提供する更なるステップを有し得る。
【００１１】
本発明は更に、本発明に基づく方法により供給されるワード長の低減された信号から出力信号を回復させる方法であって、ｍビットの前記ワード長の低減された信号から、ｎビットの復号された信号への、第一変換関数の逆関数である第二変換関数で規定される量子化を行うステップを有することを特徴とする方法に関する。これにより元々のデジタル入力信号の元々のワード長を持つ出力信号を回復することが可能になり、高いダイナミックレンジを持つ出力信号が提供される。
【００１２】
好ましい実施例では、出力信号を提供するために、ノイズ信号と実質的に等しい差分ノイズが復号された信号から引かれる。この実施例により、元々のデジタル入力信号の唯一の付加的な劣化が、非線形量子化オペレーションによって引き起こされる量子化ノイズにより形成されることになり、高品質の出力信号を回復することが可能になる。非線形装置パラメータとノイズパラメータとを適当に選択することにより、この付加的な劣化は許容可能なレベルに制限することができる。
【００１３】
二つ目の側面として、本発明は量子化要素が非線形装置パラメータにより規定される非線形変換関数を持つという、冒頭に述べられた信号処理装置に関する。信号処理が本発明に基づいた方法を実施できるよう配置されることが更に好ましい。
【００１４】
更に本発明は、ワード長の低減された信号を復号された出力信号に変換させるために、第一変換関数の逆変換である第二変換関数を持つ第二量子化要素を有する、本発明に基づいた信号処理装置により提供されるワード長の低減された信号から出力信号を回復する信号復号装置に関する。
【００１５】
好ましい実施例では、この信号復号装置は、出力信号を提供するために、ノイズ信号と実質的に等しい差分ノイズ信号を、差分ノイズ信号を復号された信号から引くように配置された差分要素に提供する第二ノイズ源を有する。
【００１６】
本発明は、例えばオーディオ信号やビデオ信号を表す種々のデジタル信号に適用可能である。
【００１７】
本発明は、本発明に記載の方法における信号の流れの概念図を示す付随の図を参照した模式的な実施例により詳細に説明される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ワード長ｎビット（例えば２０ビット）のデジタル入力信号Ｄ_ｉが、第一非線形装置（ＮＬＤ）１０に入力される。第一ＮＬＤ１０は、デジタル入力信号Ｄ_ｉのワード長が、第一のワード長が低減された信号Ｍ_ｅにおいて、ｎビットからｍビット（例えばＣＤにおける通常の信号のように２０ビットから１６ビット）に低減されるような変換特性をもつ。この変換特性は非線形であり、例えば振幅が小さい場合の量子化ステップは振幅が大きい場合の量子化ステップよりも大きくなる。振幅が大きい場合のゲインが減少し、振幅が小さい場合のゲインは実質的に１に等しくなる（線形特性）。このような変換特性の例は次のような関数によって示される：
Ｍ_ｅ／Ｄ_ｉ＝ｃ_１ｔａｎｈ（ｃ_２Ｄ_ｉ＋ｃ_３）
ここでｃ_１、ｃ_２及びｃ_３は既定のＮＬＤパラメータＮＬＤ_ｐである。
【００１９】
一般的に、第一ＮＬＤ１０の特性関数は、当該関数が入力信号範囲において単調であり、入力値が０のとき出力値が実質的に０になり（つまり、上式において
【数１】

望ましくはｃ_３＝０）、入力値が負のときには出力値は正の入力値のときの出力値を負にしたものに実質的に等しくなるという条件に従う。当然、特性関数はデジタル入力信号Ｄ_ｉのワード長をｎビットからｍビットに減少させるという第一ＮＬＤ１０の第一の目的にも合致すべきである。
【００２０】
デジタル入力信号Ｄ_ｉを得るためにノイズ信号Ｎが元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉに加えられることが好ましい。擬似ランダムディザーノイズ源１２の使用によりノイズ信号Ｎが発生する。元々のデジタル入力信号Ｍｉは、ノイズ信号Ｎが加算器１１により加えられることで、デジタル入力信号Ｄ_ｉになる。
【００２１】
加えられたノイズ信号の特性は、確率密度関数（ｐｄｆ）、振幅及びシード値などのノイズパラメータＮ_ｐによって決定される。ノイズパラメータＮ_ｐは、出力信号が一定になる（これは非常に望ましくないことである）のを防ぐように既定のレベルにおいて元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉに影響を与えるよう選択される。このステップは当該技術分野において信号のディザリングとして知られる。元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉが音声信号を表すデジタルデータストリームであるとき、加えられたノイズ信号はほとんど聞こえないレベルから明確に聞こえるレベルの範囲の音声信号に影響を与え、品質を低下させる可能性がある。信号が第一ＮＬＤ１０を通過したあとにその信号に十分な影響を与えるためには、加えられたノイズ信号は第一ＮＬＤ１０通過後にディザー効果を達成するのに十分な大きさの振幅を持つ必要がある。
【００２２】
デジタル入力信号Ｄ_ｉ（加えられたノイズ信号Ｎを含む）は、第一ＮＬＤ１０に入力される。元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉの、ノイズ信号Ｎによるディストーションが多少大きい場合でも、信号の品質劣化は容易にわかるが、人間の耳には認識可能である。更に、ノイズパラメータＮ_ｐを制御することにより、全体的なＳＮＲが影響を受ける可能性がある。
【００２３】
ワード長の低減された信号Ｍ_ｅは、例えばコンパクトディスクなどの記録媒体１３に記録することが可能である。それによりこのコンパクトディスク１３はワード長ｍビットのワード長の低減された信号Ｍ_ｅを持つようになる。わかりやすくするため、エラー訂正やＥＦＭモジュールなど、コンパクトディスク１３にデジタル信号を記録するための他の信号処理は示されない。これまでの議論のように、ｍの値が１６のとき、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅの記録されたコンパクトディスク１３は、従来型の１６ビットコンパクトディスクプレイヤーで再生することが可能である。元々の入力信号Ｍ_ｉは非線形に改変されているので、再生された信号には、ノイズ源１２によって加えられたノイズ信号の量と第一ＮＬＤ１０によって引き起こされたディストーション量とに依存したある程度の歪みが生じている。もう一つの方法として、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅは、インターネットや電話回線などの送信媒体を通じて受信者に送信することができる。
【００２４】
元々の入力信号Ｍ_ｉを回復するには、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅが第二ＮＬＤ１４に入力される。第二ＮＬＤ１４は第一ＮＬＤ１０の逆特性を持ち、ワード長の低減されたｍビットの信号Ｍ_ｅを復号されたｎビットの信号Ｍ_ｄに変換する。当然、復号された信号Ｍ_ｄは、第一ＮＬＤ１０及び第二ＮＬＤ１４によってそれ以降に行われるオペレーションによる量子化ノイズを有する。
【００２５】
ノイズ信号Ｎの元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉへの追加とその後の第一非線形装置１０による非線形オペレーションとにより、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅが得られる。このとき振幅が小さいほどＳＮＲは小さくなる。しかし、第二非線形装置１４は、振幅が小さい場合に相対的に大きなノイズ成分を減少させ、振幅が大きい場合に相対的に小さなノイズ成分を増幅させるため、全振幅においてＳＮＲは実質的に一定となる。
【００２６】
好ましい実施例では、加えられたノイズ信号が復号された信号Ｍ_ｄから差分要素１５により引かれることで、元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉと実質的に等しいｎビットの出力信号Ｍ_Ｏが得られる。このために、ノイズパラメータＮ_ｐを用いて復号された信号Ｍ_ｄから引かれるべきノイズ信号を生成する第二ノイズ源１６（ノイズ源１２と同一であってもよい）を使用することが望ましい。オペレーションを良くするには、第二ノイズ信号Ｎ_２はワード長の低減された信号Ｍ_ｅと同期が取られるべきである。
【００２７】
ＮＬＤパラメータＮＬＤ_ｐ及びノイズパラメータＮ_ｐの両者とも固定値であってよい。この場合、例えばパラメータ、ＮＬＤ_ｐとＮ_ｐとを付属のメモリ要素（図には示していない）に格納することで、これらのパラメータは第一ＮＬＤ１０、第二ＮＬＤ１４、ノイズ源１２及び第二ノイズ源１６に含まれる。
【００２８】
好ましいもう一つの実施例では、パラメータＮＬＤ_ｐとＮ_ｐとは可変なパラメータであり、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅと共に送信されることが可能である。これまでに議論されたように、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅをコンパクトディスクに記録したときに、パラメータをコンパクトディスクのサブコードに格納することが可能であるが、これはピット長さ変調やピット深さ変調などの物理的変化をコンパクトディスクに加えることによっても可能である。物理的変化による解決策は、通常のコンパクトディスクのコピー操作では、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅのみがコピーされ、物理的に符号化したパラメータＮＬＤ_ｐとＮ_ｐとはコピーされないという、更なる利点がある。ワード長の低減された信号Ｍ_ｅは加えられたノイズ信号Ｎがないとｎビットの出力信号Ｍ_Ｏに回復されないので、この手法はコピー防止に有効である。
【００２９】
当然、パラメータＮＬＤ_ｐ及びＮ_ｐ並びにワード長の低減された信号Ｍ_ｅは、物理的又は時間的に分離された別個のチャンネルから送信することが可能である。例えばインターネットを使用し、例えばワード長の低減された信号Ｍｅをプレビュー（視聴といったほうが良い）として提供することが可能になる。プレビュー信号Ｍ_ｅは元々のデジタル入力信号と比較して品質は低くなっている（ＳＮＲが低下している）が、ＮＬＤパラメータＮＬＤ_ｐ及びノイズパラメータＮ_ｐは信号がプレビューの目的としては許容できるように選択される。支払い後にのみ、高品質の出力信号Ｍ_Ｏの回復を許容するために、パラメータＮＬＤ_ｐとＮ_ｐとが別個のチャンネル（例えば保護のかかったインターネット接続）を介して利用可能となる。
【００３０】
当業者には明らかであるように、ＮＬＤパラメータＮＬＤ_ｐ及びノイズパラメータＮ_ｐのどちらか一方のみが変数であるような変形例も可能である。これにより、変数パラメータをワード長の低減された信号Ｍｅと共に送信し、固定のパラメータは再生装置に含ませる（シリコンに埋め込む）ことも可能になる。
【００３１】
他の実施例では、元々のデジタル入力信号Ｍ_ｉに加えるためのノイズ信号Ｎを発生させる際にノイズ成形技術を適用し、例えば、第一ＮＬＤ１０によって引き起こされた量子化エラーのフィードバックを得ることが可能となる。
【００３２】
更に他の実施例では、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅではなく、差Δ_ｉｅ＝Ｄ_ｉ−Ｍ_ｉが記録される。特定のアプリケーションに対しては、このような符号技術には、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅが更に短いワード長で記録されることが必要になるというさらなる利点がある。
【００３３】
よって、本方法により、高ダイナミックレンジの元々のデジタルデータ信号Ｍ_ｉを、ワード長の低減された信号Ｍ_ｅ （低ダイナミックレンジ）を用いて媒体に記録すること及び高ダイナミックレンジの出力信号を回復させることが可能となる。本方法により、第一ＮＬＤ１０による非線形なワード長の低減とノイズ源１２によるディザーノイズの追加による多少の信号の品質低下は起こり得るものの、ワード長がｍビットに低減された信号を回復させるための旧型の回復装置との逆互換性が提供される。前述のとおり、一般的に市販されている機器を用いた、記録された信号及びそれに付随するＮＬＤパラメータ、ＮＬＤ_ｐの、例えばコンパクトディスク１３へのコピーは特定の変調技術を用いて防止することが可能である。本方法により、更に、逆互換性を保ちつつ、出力信号Ｍ_Ｏの最大ダイナミックレンジを増加させることで例えばコンパクトディスクプレイヤーのパフォーマンスを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に記載の方法における信号の流れの概念図。

Claims (15)

1. デジタル入力信号のビット数を低減させる方法であって、
   中間信号を得るためにノイズパラメータにより規定される擬似ランダムノイズ信号（Ｎ_ａ）を前記デジタル入力信号に加えるステップと；
   ワード長ｎビットの前記中間信号をワード長ｍビットのワード長の低減された信号へ量子化するステップ（ｎはｍ以上）とを有する方法において、前記中間信号を量子化する前記ステップが、非線形装置パラメータによって規定される非線形の第一変換関数を使用することを特徴とする方法。
2. 振幅が小さい場合に、振幅が大きい場合よりも、第一変換関数の量子化の前記ステップが小さくなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第一変換関数のゲインが振幅が小さい場合１と実質的に等しく、振幅が大きい場合には前記ゲインが減少することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 第一変換関数が関数Ｍ_ｅ／Ｄ_ｉ＝ｃ_１ｔａｎｈ（ｃ_２Ｄ_ｉ＋ｃ_３）に等しく、ここでＭ_ｅが前記ワード長の低減された信号であり、Ｄ_ｉが前記中間信号であり、更にｃ_１、ｃ_２、ｃ_３が前記非線形装置パラメータであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記ノイズ信号の振幅が少なくとも既定のノイズ値と等しいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ノイズ信号を得るためにノイズ成形技術が適用されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ワード長の低減された信号、前記非線形装置パラメータ及び／又は前記ノイズパラメータが記録媒体に記録されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記記録媒体がコンパクトディスクであり、前記ワード長の低減された信号が第一チャンネルに記録され、前記非線形装置パラメータ及び／又は前記ノイズパラメータが第二チャンネルに記録され、第一チャンネルと第二チャンネルとが別個のチャンネルであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記中間信号から前記ワード長の低減された信号を引いた差と等しい差信号を提供するステップを更に有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法により供給されるワード長の低減された信号から出力信号を回復させる方法であって、ｍビットの前記ワード長の低減された信号から、ｎビットの復号された信号への、第一変換関数の逆関数である第二変換関数で規定される量子化を行うステップを有することを特徴とする方法。
11. 前記出力信号を提供するために、前記復号された信号から前記ノイズ信号と実質的に等しい差分ノイズ信号を引くステップを更に有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ノイズパラメータで規定されるノイズ信号を発生させるための擬似ランダムノイズ発生装置と、前記ノイズ信号をデジタル入力信号に加えて中間信号を提供するための、前記ノイズ発生装置に接続された付加要素と、ワード長ｎビットの前記中間信号をワード長ｍビットのワード長の低減された信号に変換させる（ｎはｍ以上）ための、前記付加要素に接続された第一量子化要素とを有する信号処理装置において、
    前記量子化要素が非線形装置パラメータで規定される非線形変換関数を持つことを特徴とする信号処理装置。
13. 前記信号処理装置が請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法を実行するように配置された請求項１２に記載の信号処理装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の信号処理装置により供給されるワード長の低減された信号から出力信号を回復させるための信号復号装置であって、
    前記ワード長の低減された信号を復号された出力信号に変換するための、第一変換関数の逆関数である第二変換関数を有する第二量子化要素
    を有することを特徴とする信号復号装置。
15. 前記ノイズ信号と実質的に等しい差分ノイズ信号を差分要素に供給するための第二ノイズ源を更に有し、当該差分要素は前記出力信号が提供されるように、前記復号された信号から前記差分ノイズ信号が引かれるように配置されたことを特徴とする請求項１４に記載の信号復号装置。

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