JPH03263100A - 音声符号化・復号化装置 - 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］ この発明は音声信号をディジタル伝送あるいは蓄積する
ときに用いる音声符号化・復号化装置における線形予測
残差信号の量子化法の改良に関する。

［従来の技術］ 入力音声信号を分析フレーム毎に線形予測分析して線形
予測残差信号（以後残差信号と呼ぶ）を抽出し、この残
差信号を周波数領域の成分に変換した後複数のベクトル
に分割して各ベクトル毎にベクトル量子化する方法は、
音声の高能率圧縮符号化における有力な方法の一つであ
り、この方法による従来の音声符号化・復号化装置とし
て第３図に示すものがあった。

第３図は須田、９谷ｒ８ｋｂｉｔ／ｓ　　ＴＣＷＶＱ符
号化の陸上移動通信への適用」電子情報通信学会技術研
究報告ｖｏ１．８８、ｎｏ、４５３、ＳＰ８ｇ−１３８
（１９８９年２月）の図１に示されたものと同様のもの
である。

以下に従来装置の動作について説明する。

先ず第３図（３ａ）の符号化部について説明する。

離散値サンプルの時系列で現された入力音声信号（１）
は線形予測分析手段（３）で固定長の分析フレーム（以
後フレームと呼ぶ）毎に線形予測分析され線形予測係数
が求められる。線形予測分析手段（３）は求めた線形予
測係数（５）を線形予測逆フイルタ手段（２）とスペク
トル包絡抽出手段（７）と多重化手段（１８）に出力す
る。線形予測逆フイルタ手段（２）は入力音声信号（１
）をフレーム毎に線形予測係数（５）を用いて線形予測
逆フィルタリングし、残差信号（４）を求める。周波数
領域への変換手段（６）はＤＣＴ　（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ
　　Ｃｏ５１ｎｅ　　Ｔｒａｎｓｆ。

ｒｍ）によって残差信号（４）をフレーム毎にその周波
数領域の成分を示すサンプル列に変換し、これを残差ス
ペクトル（８）として出力する。スペクトル包絡抽出手
段（７）は線形予測係数（５）より入力音声信号（１）
の周波数スペクトル包絡を求め、これをスペクトル包絡
（９）として出力する。尚、スペクトル包絡（９）も周
波数領域でのサンプル列で表現される。残差ベクトル構
成手段（３０）は残差スペクトル（８）より残差スペク
トル（８）の各成分を要素とした複数個のベクトルを構
成し、これを残差ベクトル（１２）として出力する。ス
ペクトル包絡ベクトル構成手段（３１）はスペクトル包
絡（９）よりスペクトル包絡（９）の各成分を要素とし
た複数個のベクトルを残差ベクトル構成手段（２９）と
同様の方法で構成し、これをスペクトル包絡ベクトル（
１３）として出力する。

残差ベクトル構成手段（２９）とスペクトル包絡ベクト
ル構成手段（３０）で行われるベクトル構成の具体例を
第４図に示す。第４図において（４ａ）はスペクトル包
絡（９）であり（４Ｃ）はスペクトル包絡ベクトル構成
手段（３１）によって構成されたスペクトル包絡ベクト
ル（１３）である。また（４ｂ）は残差スペクトル（８
）であり（４ｄ）は残差ベクトル構成手段（３０）によ
って構成された残差ベクトル（１２）である。

第４図はスペクトル包絡（４ａ）と残差スペクトル（４
ｂ）がそれぞれ１５個の周波数領域のサンプルから成り
、各々より５個ずつのスペクトル包絡ベクトル（４Ｃ）
と残差ベクトル（４ｄ）を構成する場合を示している。

第４図に示すようにここのスペクトル包絡ベクトル（４
ｃ）と残差ベクトル（４ｄ）の構成は周波数領域のサン
プルを等間隔で抽出することで実施される。スペクトル
包絡ベクトル（４Ｃ）と残差ベクトル（４ｄ）の第１の
ベクトルは最も低い周波数サンプルを抽出の起点として
おり、以後第５のベクトルまで抽出の起点を１点ずつ高
い周波数方向へずらしてベクトル構成が行われる。

ベクトル量子化手段（１４）は残差ベクトル構成手段（
３１）で複数個構成された残差ベクトル（１２）をベク
トル符号帳（１５）から出力される予め登録された登録
ベクトル（１６）を用いてベクトル量子化する。具体的
には（１）式で与えられる残差ベクトル（１２）との距
離値Ｄｍが最も小さ（なる登録ベクトル（１６）を探索
し、そノ登録ベクトルの番号を残差量子化結果（１７）
として出力する。

１＝０　　　　　　　　　　　　　　　　（ｍ＝０．Ｍ
−１＞（１）式においてＷｌはスペクトル包絡ベクトル
（１３）、Ｅｌは残差ベクトル（１２）、ｃ　ｉ　”ゝ
はｍ番目の登録ベクトル（１６）、Ｉは残差スペクトル
（８）のサンプル数と構成する残差ベクトル（１２）の
個数によって決定されるベクトル次元数、ｍはベクトル
量子化に割り当てられる量子化ビット量に依存して決め
られる登録ベクトル（１６）の個数である。　（１）式
はスペクトル包絡ベクトル（１３）で重み付けされたベ
クトル間（ＥｌとＣＩ）距離の計算式と理解される。尚
量子化ビットは各残差ベクトルに対し均等に割り当てら
れる。

入力音声信号（１）の周波数成分を考えた場合、そのス
ペクトル包絡の値が大きい周波数地点のサンプルは重要
度が高く、その地点の残差スペクトル（８）はスペクト
ル包絡の値が小さい周波数地点より量子化誤差が少なく
量子化される必要がある。　（１）式に示されたスペク
トル包絡ベクトル（１３）による重み付はベクトル間距
離計算を残差ベクトル（１２）のベクトル量子化に用い
ることは、個の必要条件に対応するものである。また第
４図に示した方法でスペクトル包絡ベクトル（４ｃ）と
残差ベクトル（４ｄ）を抽出すれば、各スペクトル包絡
ベクトル内のサンプルを加算平均した平均パワーはベク
トル間でほぼ均等に成るので、ベクトル量子化手段（１
４）は残差ベクトル（４ｄ）をベクトル量子化する際に
各残差ベクトルに常に均等の量子化ビ、＋−を与えられ
る利点がある。

今説明したベクトル量子化手段（１４）から出力される
残差量子化結果（１７）と、線形予測分析手段（３）か
ら出力された線形予測係数（５）は多重化手段（１８）
で多重化され符号化音声情報として伝送路（１９）に出
力される。

次に第３図（３ｂ）の復号化部について説明する。

分離手段（２０）は伝送路（１９）から入力された符号
化音声情報を線形予測係数（５）と残差量子化結果（１
７）に分離する。ベクトル逆量子化手段（２１）は符号
化部のベクトル符号帳（１５）と同一のベクトル符号帳
（２９）より出力される登録ベクトル（３０）を用いて
残差量子化結果（１７）をベクトル逆量子化して残差ベ
クトル（２２）を求める。残差再生手段（３３）はベク
トル逆量子化手段（２１）より出力される複数の残差ベ
クトル（２２）の各サンプルを、周波数領域上で符号化
部（３ａ）の残差ベクトル構成手段（３１）が行ったベ
クトル構成以前の元の位置に配置し再生残差スペクトル
（２４）を求める。時間領域への変換手段（２５）は逆
ＤＣＴによって再生残差スペクトル（２４）を時間領域
に変換し、再生残差信号（２６）を求める。線形予測合
成フィルタ手段（２７）は再生残差信号（２６）と線形
予測係数（５）を用いた線形予測合成フィルタリング処
理により再生信号（２８）を合成して出力する。

［発明が解決しようとする課題〕 以上説明したように従来の音声符号化・復号化装置によ
れば、スペクトル包絡ベクトルの構成はスペクトル包絡
の各周波数領域上のサンプルを周波数領域全体にわたっ
て一定間隔で抽出することで行われるので、母音のよう
に一般的に低い周波数成分の量が高い周波数成分に比べ
てかなり大きい特性を持つ音韻については、各スペクト
ル包絡ベクトルが総て第４図（４Ｃ）の様に低い周波数
側にのみ強いパワーを持つことになる。従って入力音声
信号がこの様な音間性を持つ場合、残差ベクトルのベク
トル量子化においては低周波成分のみがスペクトル包絡
ベクトルによる重み付けの強調をうけるので、高い周波
数成分の量子化歪が大きくなり、結果として、再生音声
信号の高い周波数領域での品質を劣化させる課題があっ
た。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、スペクトル包絡と残差スペクトルを低域と高域
の二つの帯域に分割し、各帯域毎にスペクトル包絡ベク
トルと残差ベクトルを構成することで、残差ベクトルの
ベクトル量子化で低い周波数成分のみにスペクトル包絡
ベクトルによる重み付けがなされないようにしたもので
ある。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る音声符号化・復号化装置は、周波数領域
のサンプル列に変換された線形予測残差信号を複数の周
波数帯域に分割し、各周波数帯域毎に予め設定した個数
の残差ベクトルを構成する帯域別残差ベクトル構成手段
と、周波数領域のサンプル列で現される入力音声信号の
周波数スペクトル包絡から前記帯域別残差ベクトル構成
手段と同一の方法で複数のスペクトル包絡ベクトルを構
成する帯域別スペクトル包絡ベクトル構成手段と、前記
帯域別残差ベクトル構成手段で構成された残差ベクトル
を前記帯域別スペクトル包絡ベクトル構成手段で構成さ
れたスペクトル包絡ベクトルを用いてベクトル量子化す
るベクトル量子化手段を符号化部に備え、前記ベクトル
量子化手段でベクトル量子化された残差ベクトルをベク
トル逆量子化するベクトル逆量子化手段と、このベクト
ル逆！子化手段で逆ベクトル量子化された残差ベクトル
の各サンプルを周波数領域上で前記帯域別残差ベクトル
構成手段による残差ベクトル構成前の周波数位置へ配置
する残差再生手段を備えたものである。

［作用］ この発明における帯域別残差ベクトル構成手段は、周波
数領域のサンプル列に変換された線形予測残差信号を複
数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域内において最も
周波数の低い第１番目のサンプルを起点として予め各周
波数帯域毎に設定した一定の間隔で順次サンプルを抽出
し、この抽出されたサンプルを要素として各周波数帯域
における第１の残差ベクトルを構成し、さらに起点とな
るサンプルを１点ずつ高い周波数方向へずらして前記一
定の間隔でサンプルを抽出することで第２番目以後予め
各周波数帯域毎に設定した個数の残差ベクトルを構成し
、帯域別スペクトル包絡ベクトル構成手段は、周波数領
域のサンプル列で現される入力音声信号の周波数スペク
トル包絡から前記帯域別残差ベクトル構成手段と同一の
方法で複数のスペクトル包絡ベクトルを構成し、ベクト
ル量子化手段は前記帯域別残差ベクトル構成手段で構成
された各残差ベクトルを、その残差ベクトルに周波数領
域での位置関係が同一である前記帯域別スペクトル包絡
ベクトル構成手段で構成されたスペクトル包絡ベクトル
の各要素サンプル値を荷重とたベクトル間距離計算によ
ってベクトル量子化し、ベクトル逆量子化手段は前記ベ
クトル量子化手段でベクトル量子化された残差ベクトル
をベクトル逆量子化し、残差再生手段は前記ベクトル逆
量子化手段でベクトル逆量子化された残差ベクトルの要
素サンプルを前記帯域別残差ベクトル構成手段によるベ
クトル構成前の周波数領域上の位置に配置する。

［実施例］ 以下にこの発明の一実施例を第１図について説明する。

第１図においては第３図と同一部分については同一符号
を付してあり説明を省略する。

以下に本発明の一実施例の動作について説明する。

先ず第１図（１ａ）の符号化部について説明する。

帯域別残差ベクトル構成手段（１０）は、残差スペクト
ル（８）を低域と広域の２つの周波数帯域に分割し、各
周波数帯域内において最も周波数の低い第１番目の残差
スペクトルのサンプルを起点として予め各周波数帯域毎
に設定した一定の間隔でサンプルを抽出し、この抽出さ
れたサンプルを要素として各周波数数帯域における第１
番目の残差ベクトル（１２）を構成し、さらに起点とな
るサンプルを１点ずつ高い周波数方向へずらして第２番
目以後、予め各周波数毎に設定した個数の残差ベクトル
（１２）を構成する。

帯域別スペクトル包絡ベクトル構成手段（１１）はスペ
クトル包絡（９）から帯域別残差ベクトル構成手段と同
一の方法でスペクトル包絡ベクトル（１３）を構成する
。

帯域別残差ベクトル構成手段（１０）と帯域別スペクト
ル包絡ベクトル構成手段（１１）で行われるベクトル構
成の具体例を第２図に示す。第２図において（２日）は
スペクトル包絡（９）であり（２Ｃ）は帯域別スペクト
ル包絡ベクトル構成手段（１１）で構成されたスペクト
ル包絡ベクトル（１３）である。また（２ｂ）は残差ス
ペクトル（８）であり（２ｄ）は帯域別残差ベクトル構
成手段（１０）で構成された残差ベクトル（１２）てベ
クトル量子化時の距離計算（（１）式）においても低周
波成分のみがスペクトル包絡ベクトルによる重み付けの
強調を受けることは無くなる。

次に第１図（１ｂ）の復号化部について説明する。

残差再生手段（２３）はベクトル逆量子化手段（２１）
より出力される複数の残差ベクトル（２２）の各サンプ
ルを、周波数領域上で帯域別残差ベクトル構成手段（１
０）が行ったベクトル構成以前の元の位置に配置し、再
生残差スペクトル（２４）を求める。

なお、上記実施例では帯域別残差スペクトル構成手段（
ｌＯ）と帯域別スペクトル包絡ベクトル構成手段（１１
）は低周波数帯域と高周波数帯域の２つの帯域に残差ス
ペクトル（８）とスペクトル包絡（９）を分割したが、
３つ以上の帯域にこれらを分割しても良い。またベクト
ル量子化手段（１４）では、低周波数帯域から構成した
残差ベクトルには高周波数帯域から構成した残差ベクト
ルより多くの量子化ビットを常に固定的に割り当である
。第２図はスペクトル包絡（２ａ）と残差スペクトル（
２ｂ）がそれぞれ１５個の周波数領域上のサンプルから
成り、これを低周波数帯域は９サンプル、高周波数帯域
は６サンプルに帯域分割し、各々の帯域から３個と２個
のスペクトル包絡ベクトル（２Ｃ）及び残差ベクトル（
２ｄ）を構成する場合を示している。

ベクトル量子化手段（１４）は、帯域別残差ベクトル構
成手段（１０）から出力された残差ベクトル（１２）を
帯域別スペクトル包絡ベクトル構成手段（１１）から出
力されたスペクトル包絡ベクトル（１３）を利用した距
離計算式（（１）式）を用いてベクトル量子化する。

帯域別残差ベクトル構成手段（１０）と帯域別スペクト
ル包絡ベクトル構成手段（１１）は帯域別にベクトル構
成を行うので、スペクトル包絡が低周波数帯域のみに大
きい成分を持つ場合でも、構成されるスペクトル包絡ベ
クトルの総てが従来装置例で説明した様な低い周波数側
にのみ強いパワーを持つことは無く（第２図（２Ｃ：）
）、従ってたり、各周波数帯域のスペクトル包絡の平均
パワー値に応じて量子化ビット量を制御することで、各
帯域別に量子化ビット量を設定でもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、残差スペクトルとスペ
クトル包絡を低周波数帯域と高周波数帯域に分割し、各
帯域毎に残差ベクトルとスペクトル包絡ベクトルを構成
するようにしたので、スペクトル包絡が低周波数帯域の
みに強い成分を持っている場合でも、残差ベクトルをベ
クトル量子化する際のベクトル間距離計算においてスペ
クトル包絡ベクトルを用いた重み付けが低周波数領域の
みに片寄ることが無く、高周波数帯域の量子化特性が従
来装置に比べて改善され、品質の良い再生音声信号を得
られる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は第１図に示す実施例の動作を説明する説明図、第３図
は従来の音声符号化・復号化装置を示すブロック図、第
４図はその動作を説明する説明図である。 図中符号（１）は入力音声信号、（２）は線形予測逆フ
イルタ手段、（３）は線形予測分析手段、（４）は残差
信号、　（５）は線形予測係数、（６）は周波数領域へ
の変換手段、（７）はスペクトル包絡抽出手段、　（８
）は残差スペクトル、　（９）はスペクトル包絡、（ｌ
Ｏ）は帯域別残差ベクトル構成手段、　（１１）は帯域
別スペクトル包絡ベクトル構成手段、　（１２）は残差
ベクトル、　（１３）はスペクトル包絡ベクトル、　（
１４）はベクトル量子化手段、　（１５）はベクトル符
号帳、（１６）は登録ベクトル、（１７）は残差量子化
結果、（１８）は多重化手段、（１９）は伝送路、（２
０）は分離手段、（２１）はベクトル逆量子化手段、　
（２２）は残差ベクトル、　（２３）は残差再生手段、
（２４）は再生残差スペクトル、（２５）は時間領域へ
の変換手段、（２６）は再生残差信号、　（２７）は線
形予測合成フィルタ手段、（２８）は再生音声信号、（
２９）はベクトル符号帳、（３０）は登録ベクトル、　
（３１）は残差ベクトル構成手段、　（３２）はスペク
トル包絡ベクトル構成手段、（３３）は残差再生手段、
（２ａ）はスペクトル包絡、　（２ｂ）は残差スペクト
ル、（２’ｃ）はスペクトル包絡ベクトル、（２ｄ）は
残差ベクトル、　（４ａ）はスペクトル包絡、　（４ｂ
）は残差スペクトル、　（４Ｃ）はスペクトル包絡ベク
トル、　（４ｄ）は残差ベクトルである。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 離散値サンプルの時系列で現された入力音声信号を一定
   長の分析フレーム毎に線形予測分析し、得られた線形予
   測係数を利用して該分析フレーム内の入力音声信号の線
   形予測残差信号を求め、この該分析フレーム内の線形予
   測残差信号を周波数領域のサンプル列に変換後にベクト
   ル量子化して出力する符号化部と、この符号化部でベク
   トル量子化された周波数領域に変換された線形予測残差
   信号をベクトル量子化した後に時間領域のサンプル列に
   変換し、この時間領域のサンプル列に変換された線形予
   測残差信号と前記線形予測係数による線形予測合成フィ
   ルタ処理で再生音声信号を合成する復号化部で構成され
   る音声符号化・復号化装置において、符号化部には前記
   分析フレーム内の入力音声信号の周波数スペクトル包絡
   を周波数領域のサンプル列として求めるスペクトル包絡
   抽出手段と、前記周波数領域のサンプル列に変換された
   該分析フレームの線形予測残差信号を複数の周波数帯域
   に分割し、各周波数帯域内において最も周波数の低い第
   １番目のサンプルを起点として予め各周波数帯域毎に設
   定した一定の間隔で順次サンプル抽出し、この抽出され
   たサンプルを要素として各周波数帯域において第１の残
   差信号ベクトルを構成し、さらに起点となるサンプルを
   １点ずつ高い周波数方向へずらして前記一定の間隔でサ
   ンプル抽出することで第２番目以後予め各周波数帯域毎
   に設定した個数の残差信号ベクトルを構成する帯域別残
   差ベクトル構成手段と、前記スペクトル包絡抽出手段で
   求められた入力音声信号の周波数スペクトル包絡のサン
   プル列より前記帯域別残差ベクトル構成手段と同一の方
   法で複数のスペクトル包絡ベクトルを構成する帯域別ス
   ペクトル包絡ベクトル構成手段と、前記帯域別残差ベク
   トル構成手段で構成された残差信号ベクトルをそのベク
   トルに周波数領域での位置関係が同一である前記帯域別
   スペクトル包絡ベクトル構成手段で構成されたスペクト
   ル包絡ベクトルの各要素サンプル値を加重としてベクト
   ル間距離を計算することでベクトル量子化するベクトル
   量子化手段を備え、復号化部には、前記スペクトル量子
   化手段でベクトル量子化された残差信号をベクトル逆量
   子化するベクトル逆量子化手段と、このベクトル逆量子
   化手段でベクトル逆量子化された全ての残差信号ベクト
   ルの要素サンプルを前記帯域別残差ベクトル構成手段に
   よるベクトル構成前の周波数領域上の位置に配置する残
   差再生手段を備えることを特徴とした音声符号化・復号
   化装置。