JPH0525408B2 - - Google Patents

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JPH0525408B2
JPH0525408B2 JP60186526A JP18652685A JPH0525408B2 JP H0525408 B2 JPH0525408 B2 JP H0525408B2 JP 60186526 A JP60186526 A JP 60186526A JP 18652685 A JP18652685 A JP 18652685A JP H0525408 B2 JPH0525408 B2 JP H0525408B2
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bits
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Suu Nii Koo
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British Telecommunications PLC
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    • H04B1/667—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission for reducing bandwidth of signals; for improving efficiency of transmission using a division in frequency subbands
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    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
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    • G10L19/02—Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis using spectral analysis, e.g. transform vocoders or subband vocoders
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  • Analogue/Digital Conversion (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Reduction Or Emphasis Of Bandwidth Of Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕 本発明はPCM通信に利用する。本発明は、サ
ブバンド符号化または変換符号化のような、周波
数領域における音声符号化方法およびその装置に
関する。ここで、サブバンド符号化とは、入力信
号の周波数スペクトルを二つ以上のサブバンドに
分離し、それぞれを別々に符号化する技術であ
る。また、変換符号化とは、入力標本を時間窓で
切り出した短区間データ（以下「ブロツク」とい
う）を一組のベクトルの要素（以下「変換係数」
という）に変換し、この変換係数を一組毎に符号
化する技術である。 〔概要〕 本発明は、入力音声信号を複数の信号列に分割
してそれぞれを別々に符号化する周波数領域音声
符号化方法および装置において、 あらかじめ所定のビツト数が割り当てられる信
号列の個数を設定し、その信号列のエネルギによ
りそのビツト数を個々の信号列に割り当てること
により、 少ない演算回数により音声信号をデイジタルで
符号化するものである。 〔従来例〕 サブバンド符号化は、信号の伝送に必要なビツ
ト速度を削減するために有効な方法である。これ
については、例えば、クロチエ（Crochiere）、ウ
エーバ（Webber）およびフラナガン
（Flanagan）、「サブバンドでの音声のデイジタル
符号化（Dig−tal Coding of Speech in Sub−
band）」、ベル・システム・テクニカル・ジヤー
ナル（Bell Sys−tem Technical journal）第55
巻（1976年10月）1069−1085頁や、クロチエ、
「低ビツト速度音声通信のためのサブバンド符号
器の設計（On the Design of Sub−band
Coders for Low Bit−Rate Speech
Communications）」、同誌第56巻（1977年５−６
月）747−779頁に詳しく説明されている。 サブバンド符号化は、広帯域信号を二つ以上の
周波数帯域に分割し、それぞれの帯域を別々に符
号化する技術である。この分割された帯域をそれ
ぞれ別々にダウンサンプルすることができ、異な
る符号化ストラトジ（coding strategies）によ
り符号化効率を改善することができる。符号化ス
トラトジは、信号の統計により最適化することが
できる。サブバンド符号化は、聴覚的な効果を利
用することができるので、特に音声伝送に適して
いる。特に、適当な量子化器が用いられ、コデツ
クの出力に含まれる量子化雑音の電力スペクトル
分布が、符号化されない信号の電力スペクトル分
布と同じであるとき、聴覚的な効果が大きい。す
なわち、所望の信号でスペクトルが占められてい
る場合には、この部分に含まれる雑音に対して人
間の耳は比較的寛容であることがよく知られてい
る。さらに、耳は高周波数成分の絶対的な内容に
は鈍感なので、高周波数成分の精度は低くてもよ
い。固定符号化にも利点はあるが、時間による信
号の性質の変化を考慮した適応符号化が望まし
い。伝送後に、個々のサブバンドをアツプサンプ
ルし、補間フイルタを通過させて原信号を復元す
るように再結合する。 変換符号化では、例えば128個の入力標本のブ
ロツクを、フーリエ余弦変換のような適当な方法
により変換し、128個の変換係数の組を生成する。
変換符号化でも、適応符号化により効率を改善す
ることができる。 適応ビツト割り当てを行うには、装置の符号化
特性を、入力信号の短期間スペクトルに整合させ
る。このような例として、ジエイ・エム・トリボ
レツト（J.M.Tribolet）およびアール・イー・ク
ロチエ（R.E.Crochiere）、「音声の周波数領域符
号化（Frequency Domain Coding of
Speech）」、IEEEトランザクシヨン・オン・
ASSP第ASSP−27巻第５号（1979年10月）に提
案された符号化方法がある。この符号化方法で
は、それぞれのサブバンド信号に完全に適応的に
ビツトを割り当てている。この符号化を以下「全
適応符号化」という。上述の文献で提案された全
適応符号化方法では、 を満たすようにビツトの割り当てを行う。ここ
で、は使用できるビツト総数を装置のサブバン
ド数Ｎで割つた値である。σi 2は考慮している時
間間隔内のｉ番めのサブバンド信号のエネルギで
あり、Riはｉ番めのサブバンドに割り当てられ
たビツト数である。γは雑音の形状により変化す
るパラメータである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、(1)式で示されるビツト割り当てストラ
トジでは、Riの値は通常の分数であり、場合に
より負になる。このため、 (1) Riを整数値に丸め、 (2) Riの最大値を（典型的には）５に制限し、 (3) Riの負の値を零に設定する という処理が必要となるが、割り当てられたビツ
ト総数が使用可能なビツト総数を越えたり、少な
くなつたりする欠点がある。この場合には、再び
(1)式を用いるかまたは他の方法により、帯域に対
するビツト割り当てを加減して再調整を行わねば
ならない欠点がある。さらに、計算量が厖大とな
る欠点がある。 本発明は、少ない計算量で音声符号化を行うこ
とのできる周波数領域音声符号化方法および装置
を提供することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明の周波数領域音声符号化装置は、入力音
声信号を分割してそれぞれの周波数スペクトルに
対応する複数の信号列を生成する分割手段と、こ
の信号列をそれぞれデイジタル的に符号化する符
号化手段と、この信号列の相対的なエネルギ量に
基づいて上記符号化手段が用いるビツト数を可変
に割り当てるビツト割り当て手段とを備えた周波
数領域音声符号化装置において、上記ビツト割り
当て手段は、ビツト数毎にこのビツト数が割り当
てられる信号列の個数を設定する手段と、この手
段により設定されたビツト数が割り当てられる信
号列の個数を一定にしておいてこの各ビツト数が
割り当てられる信号列を選択する手段とを備えた
ことを特徴とする。 また、本発明の周波数領域音声符号化方法は、
入力音声信号の周波数スペクトルに対応する別々
のチヤネルに信号を分割し、このチヤネルに含ま
れる相対的なエネルギに依存する可変ビツト数で
このチヤネルを符号化する周波数領域音声符号化
方法において、ビツト数毎にこのビツト数が割り
当てられるチヤネル数を一定にし、このビツト数
が割り当てられるチヤネルを可変に選択すること
を特徴とする。 信号列またはチヤネルとは、具体的にはサブバ
ンド符号化装置のサブバンドまたは変換符号化装
置の変換係数である。 信号にスケーリング因子に付加する場合には、
ビツト割り当てをスケーリング因子の関数とす
る。これにより、スケーリング因子だけを参照し
て復号化を行うことができ、余分なサイド情報を
必要としない。 〔作用〕 符号化方法としてサブバンド符号化を例に説明
する。本発明では、まず、個々のサブバンドに割
り当てるビツト数を定義するのではなく、ビツト
数毎にそれが割り当てられるサブバンドの個数を
設定する。この後に、個々のサブバンドにビツト
数を割り当てる。この割り当てには、サブバンド
信号のスケーリング因子を利用し、それぞれのフ
レームで、スケーリング因子の大きさの順にビツ
トを割り当てる。変換符号化の場合も同様であ
る。 〔実施例〕 次に本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。第１図は本発明実施例サブバンド符号化装置
のブロツク構成図を示す。この装置のサブバンド
数は14であり、伝送速度は32kbit／secである。 スイツチ１は、公称7kHz帯域幅の入力音声信
号を14kHzで標本化する。フイルタバンク２は、
直交ミラーフイルタ（quadrature mirror
filter）により構成され、４段階の木構造をもち、
全帯域のスペクトルを14個の均一なバンドに分割
する。このフイルタバンク２としては、32タツプ
の有限インパルス応答フイルタを用いるが、フイ
ルタバンク２の高段では32タツプ以下のフイルタ
を用いることもできる。フイルタバンク２の出力
は、従来技術と同様に、それぞれ1kHzにダウン
サンプルされる。この手段は図示していない。 サブバンド信号を量子化するために、ラプラシ
アン順方向適応量子化器が用いられる。基本的に
は、量子化には二つの段階がある。第一の段階は
正規化部Ｎ１〜Ｎ１４による正規化であり、第二
の段階は量子化器６による量子化である。正規化
はサブバンド信号をスケーリング因子で割る処理
である。スケーリング因子は、関連するサブバン
ドのエネルギ推定により、16msec毎に決定され
る。スケーリング因子の値は、基本的にその周期
における信号の平方二乗平均値である。フイルタ
バンク２からの16個の標本信号（第一のサブバン
ドではx1j、ｊ＝１〜16）はバツフア３に蓄えら
れ、この標本信号によりステツプサイズ演算部４
がスケーリング因子、すなわち量子化のステツプ
サイズΔkを、 の式により計算する。量子化器５はスケーリング
因子を５ビツト精度で量子化し、量子化された値
Δ^kを受信機のサイド情報として送信する。した
がつて、サイド情報は約4.5kbit／sec（14×5bit／
16msec≒4.5kbit／sec）となり、標本自身の伝送
速度は約27.5kbit／sec（32−4.5＝27.5）となる。
これらの量子化のプロセスは、14のサブバンドで
それぞれ実行される。それぞれのサブバンドの正
規化された標本信号Skj（＝xkj／Δ^k）は、量子化
器６に供給される。量子化器６は、ビツト割り当
て部８により割り当てられたビツト数Bkで、正
規化された標本信号Skjを符号化する。符号化さ
れた信号S^kjは、マルチプレクサ７を経由して伝
送チヤネルに送出される。 第２図はビツト割り当て部の要部ブロツク構成
図を示す。 ステツプサイズ再配列部８１は、正規化部Ｎ１
〜Ｎ１４が出力した量子化されたステツプサイズ
Δ^kを、その大きさの順に配列し直す。割り当て
修正部８２は、あらかじめ定められたビツト割り
当てパターンと、ステツプサイズ再配列部８１の
出力とにより、それぞれのサブバンドを符号化す
るためにビツト数Bkを割り当てる。 トリボレツトおよびクロチエの提案した従来技
術では、ビツト割り当てに(1)式を用いていた。本
発明は、無音の期間がない入力トレーニングシー
ケンスに、16msecのフレーム全体に対するビツ
ト割り当てパターンを定義する。この定義のため
に(1)式を用いる。説明のためγを−0.3とし、割
り当てに許容される最大ビツト数Ｍを５とする。
トレーニングシーケンス中にｉビツトが割り当て
られた回数をNiとする。ここでｉ＝１…５であ
る。 次に、iを i＝Niｉ／NT …(2) ｉ＝１、…、Ｍ と定義する。ここで、NTはトレーニングシーケ
ンスを通じて割り当てることのできるビツト総数
である。したがつて、iの値は、サブバンド信号
を符号化するためにｉビツトを割り当てたとき
の、NTに対する割合を示す。正規化された標本
信号Skjを符号化するためのビツト数がNtとする
と、ｉビツトが割り当てられると推定されるバン
ド数niは、 ni＝（iNt）／ｉに最も近い整数 …(3) により計算される。ここで、 ｉ＝１、…、Ｍ である。このバンド数niの推定値により、時間的
に不変なビツト割り当てパターンを定義する。す
なわちＭが５の場合には、16msecフレームに、
n5個のサブバンドに５ビツトを割り当て、n4個の
サブバンドに４ビツトを割り当て、以下同様に割
り当てる。これを、 （n5×５ビツト、n4×４ビツト、…、n1×１ビ
ツト、他のバンドは０ビツト） と表示することにする。このビツト割り当てパタ
ーンのビツト総数が所望の伝送ビツト速度を与え
るように、通常は手動による調節が必要である。
14バンド符号化装置に対しては、伝送容量が
27.5kbit／secで標本化速度が1kHzとすると、フ
レーム毎に27ビツトで符号化を行うことができ、
このときのビツト割り当てパターンは、 （１×５、１×４、３×３、２×２、５×１、
２×０） で与えられる。 このビツト割り当てパターンは、個々のサブバ
ンドに割り当てるビツト数を定義するのではな
く、そのビツト数が割り当てられるサブバンドの
個数を定義する。個々のサブバンドにビツト数を
割り当てるには、サブバンド信号のスケーリング
因子を利用する。それぞれの16msecのフレーム
で、最も大きいスケーリング因子をもつサブバン
ドに５ビツトを割り当て、二番めにスケーリング
因子の大きいサブバンドに４ビツトを割り当て、
以下同様に割り当てる。このアルゴリズムでは、
一度時間的に不変の割り当てパターンが導かれる
とこれが符号化装置内で固定され、全適応符号化
の場合に比較して計算量を大きく削減することが
できる。また、個々のサブバンドに対するビツト
割り当ては、スケーリング因子を参照して決定さ
れるので、スケーリング因子以外のサイド情報を
送信する必要がない。 次に変換符号化について説明する。ここでは、
フーリエ余弦変換を用いたブロツク長128標本の
適応変換符号化装置を例に説明する。基本スペク
トルの16個の初期変換係数を8msec毎に推定す
る。この推定方法については、アール・ゼリンス
キ（R.Zelinski）およびピー・ノル（P.Noll）、
「音声信号のための適応変換符号化（Adaptive
trans−form Coding of speech signals）」、
IEEEトランザクシヨン・オン・ASSP第ASSP25
巻第４号（1977年８月）第229−309頁に詳しく説
明されている。ただし、隣接するフレームの二組
の変換係数の平均は、変換係数量子化器のステツ
プサイズおよびビツト割り当てパターンにより決
定する。平均基本スペクトルの16個の初期値を量
子化するには、３ビツトのガウシアン量子化器を
用いる。入力標本を正規化するためには、256標
本毎に推定した正規化パラメータを用いる。正規
化パラメータの量子化は、５ビツトのガウシアン
パラメータを用いる。 得られた128個の変換係数の符号化は、前述の
サブバンド符号化の場合と同様に行う。γ＝−
0.2としてトレーニングシーケンス中に(1)ないし
(3)式を計算し、ビツト割り当てパターン （１×７、４×６、５×５、９×４、20×３、
25×２、28×１、36×０） が得られる。これは、128個の変換係数のうち、
１個を７ビツトで量子化し、４個を６ビツトで量
子化し、以下同様に量子化することを示す。 デイジタル信号処理（DSP）素子の出現によ
り、音声符号化アルゴリズムを実現するための多
数の問題が解決され、実時間で音声符号化を実行
できるようになつた。例えばサブバンド符号化装
置は、DSPチツプを用いて容易に実現できる。
符号化装置の複雑さは、乗除算、加減算の数およ
び符号化アルゴリズムにおける中間変数を記憶す
るための記憶量に大きく依存する。第１表に、い
くつかの符号化装置に要求される記録量、標本あ
たりに必要な計算回数および遅延時間を示す。こ
こで、ADPCMは適応差分符号化を示し、SBCお
よびATCはそれぞれサブバンド符号化および変
換符号化を示す。さらに、ABAは(1)式に従う適
応ビツト割り当てを、SBAは本発明の簡単化さ
れたビツト割り当てを示す。
【表】 余弦変換のための高速アルゴリズムは、上述の
推定により導かれると仮定した。適応変換符号化
装置はまた、付加的なlog2およびlog2の逆数のル
ツクアツプテーブルを必要とする。サブバンド符
号化装置の場合は、直交ミラーフイルタ解析バン
クの高次段に低次のFIRフイルタを用いることに
より、記憶量および符号化装置による遅延を削減
することができる。符号化アルゴリズムを実行す
るためにプログラム命令で必要とする記憶量につ
いては、ここでは考慮していない。現在、実時間
の厳しい要求および記憶量の要求により、大きな
ブロツクサイズの変換符号化装置が用いられ、ア
レイプロセツサを用いて実現されている。 上述の符号化装置の性能を、 (1) 部分的な信号雑音比の平均、 (2) 出力雑音の長時間平均スペクトル密度、 (3) 視聴試験 により計算機シミユレーシヨンで評価した。 この計算機シミユレーシヨンに用いた入力デー
タは、女性の音声による二つの文章と男性の音声
による二つの文章とを含む。第２表に、符号化装
置の部分的な信号雑音比の平均をdB単位で示す。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の周波数領域音声
符号化方法および装置は、従来のサブバンド符号
化装置や変換符号化装置に比較して、演算回数を
著しく少なくすることができる。したがつて、簡
単な装置構成で満足できる音質の音声信号を伝送
できる。本発明は、安価なデイジタル音声伝送装
置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明実施例サブバンド符号化装置の
ブロツク構成図。第２図はビツト割り当て部の要
部ブロツク構成図。 １…スイツチ、２…フイルタバンク、３…バツ
フア、４…ステツプサイズ演算部、５…量子化
器、６…量子化器、７…マルチプレクサ、８…ビ
ツト割り当て部、Ｎ１〜Ｎ１４…正規化部、８１
…ステツプサイズ再配列部、８２…割り当て修正
部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 入力音声信号を分割してそれぞれの周波数ス
    ペクトルに対応する複数の信号列を生成する分割
    手段と、 この信号列をそれぞれデイジタル的に符号化す
    る符号化手段と、 この信号列の相対的なエネルギ量に基づいて上
    記符号化手段が用いるビツト数を可変に割り当て
    るビツト割り当て手段と を備えた周波数領域音声符号化装置において、 上記ビツト割り当て手段は、 ビツト数毎にこのビツト数が割り当てられる信
    号列の個数を設定する手段と、 この手段により設定されたビツト数が割り当て
    られる信号列の個数を一定にしておいてこの各ビ
    ツト数が割り当てられる信号列を選択する手段と を備えたことを特徴とする周波数領域音声符号化
    装置。 ２ 分割手段は、サブバンド符号化用であり、フ
    イルタ手段を含み、 信号列は入力音声信号のそれぞれの周波数サブ
    バンドを標本化した信号の列である 特許請求の範囲第１項に記載の周波数領域音声
    符号化装置。 ３ 分割手段は変換符号化用であり、 それぞれの信号列は変換係数の列である 特許請求の範囲第１項に記載の周波数領域音声
    符号化装置。 ４ 符号化手段は、それぞれの信号列のスケーリ
    ング因子を出力する正規化手段を含み、 ビツト割り当て手段は、このスケーリング因子
    を用いて信号列のビツト割り当てを決定する手段
    を含む 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
    に記載の周波数領域音声符号化装置。 ５ 入力音声信号の周波数スペクトルに対応する
    別々のチヤネルに信号を分割し、 このチヤネルに含まれる相対的なエネルギに依
    存する可変ビツト数でこのチヤネルを符号化する 周波数領域音声符号化方法において、 ビツト数毎にこのビツト数が割り当てられるチ
    ヤネル数を一定にし、 このビツト数が割り当てられるチヤネルを可変
    に選択する ことを特徴とする周波数領域音声符号化方法。
JP60186526A 1984-08-24 1985-08-24 周波数領域音声符号化方法および装置 Granted JPS61112433A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB848421498A GB8421498D0 (en) 1984-08-24 1984-08-24 Frequency domain speech coding
GB8421498 1984-08-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS61112433A JPS61112433A (ja) 1986-05-30
JPH0525408B2 true JPH0525408B2 (ja) 1993-04-12

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ID=10565770

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60186526A Granted JPS61112433A (ja) 1984-08-24 1985-08-24 周波数領域音声符号化方法および装置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US4949383A (ja)
EP (1) EP0176243B1 (ja)
JP (1) JPS61112433A (ja)
AT (1) ATE50896T1 (ja)
CA (1) CA1248234A (ja)
DE (1) DE3576444D1 (ja)
GB (1) GB8421498D0 (ja)

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