JPH0313012A - 高能率符号化方式 - 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】 〔産業上の利用分野］ 本発明は音声信号や映像信号等をディジタル信号に変換
して伝送または記録する際の高能率符号化方式に関し、
特に差分ＰＣＭ方式と準瞬時圧伸方式との併用方式に関
するものである。

〔従来の技術〕

音声信号や映像信号をディジタル信号に変換して伝送す
るには、広帯域の伝送路が必要であり、また記録するに
は大容量のメモリを必要とする。

このため、少ないビット数で能率よく信号の伝送または
記録を行うために、音声信号や映像信号の自己相関性を
利用した各種の高能率符号化方式が提案されている。

高能率符号化方式の中で最も広く利用されているのは、
予測符号化または差分符号化（以下、差分ＰＣＭ、とい
う）と称される方式である。この方式は、既に符号化さ
れている過去の信号から現在の信号を予測し、その予測
誤差を符号化する方式である。しかし、この方式は連続
する信号の相関性が高い周波数成分の低い帯域では帯域
圧縮効果が期待されるが、信号の相関性が少なくなる周
波数成分の高い帯域になると、差分値が大きくなり元の
量子化数を上回る不都合が生じる。

そこで、連続するいくつかのサンプル値を１ブロツクと
してブロック毎に圧縮伸張則を切り換える準瞬時圧伸方
式を、差分ＰＣＭ方式と併用する方式が提案されている
。

例えば、ハイビジョン信号の１つであるＭＵＳＥ信号の
音声伝送用に開発された準瞬時圧伸差分ＰＣＭ　（ＤＡ
ＮＣＥ）は、入力信号を１ｍｓ毎の区間（ブロック）に
分け、ブロック毎に最大差分を検出して圧伸則（レンジ
）を決定し、差分信号を圧縮する方式である。

また自由等による「最適差分ビットによる差分圧伸ＰＣ
ＭＪ　　（電子情報通信学会論文誌ＡＶｏ１．　Ｊ７１
−ＡＮα５）は、差分ＰＣＭに準瞬時圧伸を適用した場
合に生じる圧縮時の欠落ビットに起因した伝送誤差を解
決するために、準瞬時圧伸の際に求まる圧縮差分データ
をその伝送ビット数内でサンプル点ごとに補正するもの
である。この方式は、差分値に準瞬時圧伸を施した際に
求まるブロック化した圧縮差分データを順次復号し、原
信号と比較することで圧縮ビット数内で表現できる差分
データのうち最も誤差の少ないものとなるようにサンプ
ル点ごとに差分値を補正する第１の方式と、この第１の
方式においてスケール値を上下１ビットずつ変化させた
場合の圧縮差分データも計算して、原信号との誤差が最
小となる圧縮差分データを選択する第２の方式とがある
。

〔発明が解決しようとする課題） 差分ＰＣＭと準瞬時圧伸とを組み合わせる方式は、デー
タ伝送時にエラーが発生すると、誤った差分値がデコー
ダの出力に残るという不都合がある。前述のＤＡＮＣＥ
では、リーク係数を導入することにより誤った差分値が
一定時間後には零になるように対策されているが、例え
ば磁気ディスク等の記録媒体への信号の記録・再生時に
この方式を使用しランダムアクセスを行って信号を再生
すると、信号再生時の最初の値（初期値）が不定となる
ため、ランダムアクセスを行うたびにエラーが発生する
ことと等価になり、信号が正しく再生されないことにな
る。

また自由等の方式ではレンジ値は１ブロツク内の予測フ
ィルタの出力値の最大値で決定されるが、ｌブロック内
に突発的な大きな値があると他の小さな値の圧縮時の精
度が劣化し、最終的にデコーダ出力でのＳＮ比が劣化す
る。第２の方式ではレンジ値を決定する際に３種類（ｓ
　、ｓ−１，ｓ＋１）のレンジ（直についてｌブロック
内のセグメントＳＮ比を最小とするレンジ値を選択して
いるが、演算負担が大きい。

また自由等の第１の方式では、データ圧縮時の丸め誤差
を伝送ビットの１／２ＬＳＢ以内にするために、実質的
に伝送ビットのＬＳＢ未満の０捨１人を行っているが、
正の最大値付近では丸め誤差が１／２ＬＳＢ以内になら
ない場合が発生し、かつ１人の操作による桁上がりが発
生した場合はレンジ値を変更する必要があり、操作が複
雑になる。

この場合、レンジ値を変更せずに伝送ビットの最大値で
代用すると、実質的に切り捨てを行うことになり、丸め
誤差は１／２ＬＳＢ以内に保証されないという問題があ
る。４ビツトデータを２ビツトに圧縮する場合を例に説
明すると、第６図に示すように、１０進数で−８〜＋７
の値を伝送ビット２ビツトとレンジ値で圧縮する場合、 ■　桁上がりによるレンジ値変更操作を伴う。

■　丸め誤差が１／２ＬＳＢ以上となるときがある。

■　丸め誤差が正の値、負の値でアンバランスになり、
総じて丸め誤差が負になりやすい傾向がある。

等の不都合がある。

本発明は差分ＰＣＭに準瞬時圧伸を組み合わせる場合に
生じるこれらの不都合を除去することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 本発明は入力ディジタル信号の各サンプル値と過去のサ
ンプル値から予測した予測値との差分値を求め差分デー
タとして送出するエンコーダと、上記差分データを累算
して上記ディジタル信号を復号するデコーダとからなる
高能率符号化方式において、上記エンコーダは上記入力
ディジタル信号の各サンプル値を所定のサンプル数毎に
ブロックに分割し上記各ブロック内の各差分値の大きさ
を判断してレンジ情報を出力するレンジ情報出力手段と
、上記各ブロック内のサンプル値を記憶し最初のサンプ
ル値を初期値として出力するサンプル値記憶手段と、上
記サンプル値記憶手段の出力とローカルデコーダの出力
との差分値を上記レンジ情報によって圧縮し圧縮差分デ
ータとして出力する圧縮差分データ出力手段とから構成
され、上記デコーダは上記レンジ情報に基づき上記圧縮
差分データを伸張する伸張手段と、上記初期値または上
記伸張手段の出力値と予測フィルタの出力値とを加算し
加算結果を上記予測フィルタに入力すると共に出力ディ
ジタル信号として出力する加算手段とから構成される。

〔作　用〕

エンコーダにディジタル信号が入力されると、このディ
ジタル信号は１ブロツクＮサンプルに分割されてレンジ
情報出力手段に入力される。レンジ情報出力手段では、
Ｎサンプルの各差分値のレンジ値の度数分布を算出し、
その累積確率が所定値となるレンジ値に近い値をレンジ
情報として出力する。

またｌブロックＮサンプルに分割されたディジタル信号
はブロック毎にサンプル値記憶手段に記憶される。記録
が終了すると、最初のサンプル値が初期値として出力さ
れ、２番目以降のサンプル値がローカルデコーダの出力
と差分を取られて圧縮差分データ出力手段に入力される
。圧縮差分データ出力手段では、入力される差分値をレ
ンジ情報と伝送ビットとによって表現し、この伝送ビッ
トを圧縮差分データとして出力する。

このようにしてエンコーダからはレンジ情報。

ディジタル信号の最初のサンプル値（初期値）圧縮差分
データがそれぞれ出力される。

デコーダでは、まず最初に入力されるサンプル値（初期
値）を出力ディジタル信号としてそのまま出力すると共
に予測フィルタに入力する。続いて入力される圧縮差分
データは伸張手段に入力され、同時に入力されるレンジ
情報により元の差分値に伸張される。伸張された差分値
は加算手段で予測フィルタの出力、すなわち初期値と累
算され、元のディジタル信号に復号されて出力されると
共に予測フィルタに再入力される。以下、同様にして順
次入力される圧縮差分データが加算手段および予測フィ
ルタによって累算され、元のディジタル信号が復号され
る。

〔実旅例〕

第１図は本発明による高能率符号化方式の一実施例を示
す構成図で、図（ａ）はエンコーダＥの構成を示し、図
（ｂ）はデコーダＤの構成を示す。

エンコーダＥは入力ディジタル信号の低域を抑圧するエ
ンファシス・フィルタ１、このエンファシス・フィルタ
ｌの出力に係数Ｋを乗算して予測値とする予測フィルタ
２、エンファシス・フィルタ１の出力と予測フィルタ２
の出力との差分値を求める演算回路３、この演算回路３
で１１（資）次算出される差分値から後述するレンジ値
の度数分布を求めレンジ情報として出力するレンジ情報
算出回路４、エンファシス・フィルり１の出力を１フ゛
ロンク（Ｎサンプル）分記憶するブロックメモリ５、後
述するローカルデコーダ６、ブロックメモリ５の出力と
ローカルデコーダ６の出力との差分値を求める演算回路
７、演算回路７の出力をレンジ情報に基づき圧縮し圧縮
差分データとして出力する圧縮回路８からなる。

ローカルデコーダ６は圧縮回路８から出力される圧縮差
分データをレンジ情報に基づき伸張する伸張回路９、ブ
ロックメモリ５の出力と伸張回路９の出力とを切り換え
る切換スイッチ１０、切換スイッチ１０の出力と予測フ
ィルタ１１の出力とを加算する演算回路１２とを有し、
予測フィルタ１１の出力は演算回路１２に入力されると
共にローカルデコーダ６の出力として演算回路７に入力
される。

デコーダＤは送られて来る差分データを、同時に送られ
て来るレンジ情報に基づいて伸張する伸張回路２０、こ
の伸張回路２０の出力とブロックメモリ５から最初に送
られて来るサンプル値（初期値）とを切り換える切換ス
イッチ２１、切換スイッチ２１の出力と予測フィルタ２
２の出力とを加）Ｅするａ１回路２３、エンファシス・
フィルタ１と逆の特性を持つデエンファシス・フィルタ
２４からなり、演算回路２３の出力は予測フィルタ２２
およびデエンファシス・フィルタ２４に入力される。

この構成において、エンコーダ已にディジタル信号が入
力されると、このディジタル信号はエンファシス・フィ
ルタ１で低域が抑圧され、１ブロツクＮサンプルに分割
されて予測フィルタ２に人力される。予測フィルタ２は
入力値に係数Ｋを乗算して次の予測値とする一次子測フ
ィルタであり、ディジタル信号の最初のサンプル値（初
期値）ＳＰｌが入力された時点ではその出力は零となる
。

２番目以降のサンプル値は演算回路３で予測フィルタ２
の出力と演算され、得られた差分値がレンジ情報算出回
路４に入力される。

レンジ情報算出回路４は１ブロツクＮサンプルの各差分
値のレンジ値の度数分布を算出し、その累積確率が所定
値となるレンジ値に近い値をレンジ情報Ｒとして出力す
るもので、例えば１６ビツトの差分値を４ビツトに圧縮
する場合、第２図に示すように、■ブロックＮサンプル
に対する（Ｎ−１）個の差分値（第２図（ａ））に対し
、上位有効４ビツトを抽出する際のレンジ値ｒ（２′の
ｒ）の度数分布を求め（第２図（ｂ））、その累積確率
が所定値ｐとなるレンジ値に近い値（この場合は５）を
レンジ情報Ｒとして出力する（第２図（Ｃ））。

エンファシス・フィルタｌを通過した入力ディジタル信
号は、ブロックメモリ５に入力され、ブロック毎にＮサ
ンプルのデータが記録される。記録が終了すると、まず
最初のサンプル値ＳＰ１が初期値として出力され、同時
に切換スイッチ１０を介して演算回路１２に入力される
。切換スイッチ１０はこの時点ではメモリ５側に切り換
えられており、予測フィルタ１１の出力は「０」である
ので、サンプル値ＳＰＩはそのまま予測フィルタ１１に
入力される。

次いで、２番目のサンプル値ＳＰ２が出力されると、こ
のサンプル値ＳＰ２は演算回路７で予測フィルタ１１の
出力と差分が取られ、その差分値は圧縮回路８に人力さ
れる。圧縮回路８では、入力された差分値と、レンジ情
報Ｒおよび伝送ビットで表現できる正の最大値または負
の最大値とを比較し入力された差分値の方が大きいとき
は伝送ビットで表現できる正の最大値または負の最大値
を圧縮差分データＤ１として出力し、そうでないときに
はレンジ情報Ｒで決められた伝送ビットを抽出して圧縮
差分データＤ１として出力する。

こうして得られた圧縮差分データＤ１は、同時にローカ
ルデコーダ６の伸張回路９に入力され、レンジ情報Ｒに
基づき伸張された後、切換スイッチ１０を経て演算回路
１２に人力される。演算回路１２では、伸張された差分
データと予測フィルタ１１の出力とが加算され予測フィ
ルタ１１に再入力される。このため予測フィルタ１１に
は、圧縮差分データＤ１を伸張した差分データとサンプ
ル値ＳＰ１との加算値が入力される。

以下、同様にしてブロックメモリ５からサンプル値が出
力される毎に、このサンプル値とローカルデコーダ６の
出力との差分値が圧縮され、圧縮差分データＤ２．Ｄ３
　　・・・、Ｄｉ、・・・として順次出力される。

次に、デコーダＤにおける伸張処理について説明する。

まず、最初に入力されるサンプル値（初期値）ＳＰｌは
切換スイッチ２１を経て演算回路２３に人力される。こ
のとき、予測フィルタ２２の出力は零であるので、サン
プル値ＳＰ１はそのままデエンファイシス・フィルタ２
４に入力され、周波数特性が元に戻されて出力ディジタ
ル信号とじて出力されると共に、予測フィルタ２２に入
力される。

次いで、圧縮差分データＤ１が伸張回路２０に入力され
ると、この圧縮差分データＤ１は同時に人力されるレン
ジ情報Ｒによって伸張され、初期値ＳＰ１の人力後に切
り換わっている切換スイッチ２１を介して演算回路２３
に入力される。伸張回路２０では、入力される圧縮差分
データＤ１とレンジ情報ＲとによりＤｔＸ２”を算出し
、算出結果が正ならば１／２ＸＬＳＢ（伝送ビットのＬ
ＳＢ）を、負ならば（１／２ｘＬＳＢ−１）をそれぞれ
加算して伸張データとして出力する。演算回路２３では
、この伸張データに予測フィルタ２２からの前サンプル
４ａ　Ｓ　Ｐ　ｔを加算して復号する。以下同様にして
、順次送られてくる圧縮差分データＤ２　　ｓ　Ｄ３　
＋・・・を復号する。

第３図および第４図は、１６ビツトの差分値を４ビツト
の差分データに圧縮して伝送する例を示すもので、第３
図は差分値が正の場合、第４図は差分値が負の場合をそ
れぞれ示し、共に図（ａ）は圧縮前の差分値（圧縮回路
８の人力）、図（ｂ）は圧縮後の差分データ（圧縮回路
８の出力）、図（Ｃ）は伸張後の差分値（伸張回路２０
の出力）をそれぞれ示している。この場合、伝送ビット
は４ビツト、レンジ情報Ｒは「８」、負数は２の補数表
示とする。

エラー発生時の処理は、レンジ情報Ｒが誤った場合はそ
の前のブロックのレンジ情報を代用し、初期値ＳＰ１が
誤った場合はその前のブロックの最終復号サンプル値を
代用する。また圧縮差分データＤｉが誤った場合は伝送
ビットとしてｒＱ。

を代用し伸張する。データエラーにより発生した直流分
は予測フィルタの係数Ｋを適当に選ぶ（０＜Ｋ＜１）こ
とにより、所定時間後に「０」に収束させることが出来
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、各ブロック毎に初期値を伝送するよう
にしたので、データエラーが発生しても次ブロックまで
伝播することがなく、またランダムアクセスを行っても
初期値が定まっているので正しく信号が再生される。

また圧縮時に有効ビット数未満を切り捨て、伸張時に値
が正であれば有効ビットの１／２ＬＳＢを加算し、負で
あれば（１／２ＬＳＢ−１）を加算しているので、圧縮
時の処理が節単になり、かつ丸め誤差を常に１／２ＬＳ
Ｂ以下とすることが出来、さらに丸め誤差が正と負で対
称となり再生信号の安定性が向上する。第５図は４ビツ
トを２ビツトに圧縮する場合を例として示した図で、第
６図の従来例と比較すると、圧縮時の桁上がりを意識す
る必要がないので処理が簡単になり、また丸め誤差が常
に１／２ＬＳＢ以下となり、さらに丸め誤差が正、負で
対称となる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図におけるレンジ情報算出回路の動作を説明するための
動作説明図、 第３図および第４図は本発明の詳細な説明するための信
号図、 第５図は本発明により４ビツトを２ビツトに圧縮する場
合の例を示す図、 第６図は従来例により４ビツトを２ビツトに圧縮する場
合の例を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力ディジタル信号の各サンプル値と過去のサン
   プル値から予測した予測値との差分値を求め差分データ
   として送出するエンコーダと、上記差分データを累算し
   て上記ディジタル信号を復号するデコーダとからなる高
   能率符号化方式において、 上記エンコーダは上記入力ディジタル信号の各サンプル
   値を所定のサンプル数毎にブロックに分割し上記各ブロ
   ック内の各差分値の大きさを判断してレンジ情報を出力
   するレンジ情報出力手段と、上記各ブロック内のサンプ
   ル値を記憶し最初のサンプル値を初期値として出力する
   サンプル値記憶手段と、上記サンプル値記憶手段の出力
   とローカルデコーダの出力との差分値を上記レンジ情報
   によって圧縮し圧縮差分データとして出力する圧縮差分
   データ出力手段とからなり、 上記デコーダは上記レンジ情報に基づき上記圧縮差分デ
   ータを伸張する伸張手段と、上記初期値または上記伸張
   手段の出力値と予測フィルタの出力値とを加算し加算結
   果を上記予測フィルタに入力すると共に出力ディジタル
   信号として出力する加算手段とからなることを特徴とす
   る高能率符号化方式。
2. （２）上記エンコーダの入力に低域成分を抑圧するエン
   ファシス・フィルタを接続し、上記デコーダの出力に上
   記エンファシス・フィルタと逆特性のデエンファシス・
   フィルタを接続することを特徴とする請求項１記載の高
   能率符号化方式。
3. （３）上記エンコーダにおける上記圧縮差分データ出力
   手段は上記差分値の有効ビット数未満を切り捨て、上記
   デコーダにおける上記伸張手段は伸張したデータが正な
   らば有効ビットの１／２ＬＳＢを加算し、負ならば（１
   ／２ＬＳＢ−１）を加算することを特徴とする請求項１
   記載の高能率符号化方式。