JPH06103842B2 - プロセッサを用いた圧縮伸長通信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 背景技術 本発明は通信装置に関し、特にディジタルシグナルプロ
セッサを用いて実現される結合圧縮伸長装置（Lincompe
x）に関する。

本発明は米国特許第4,271,499号の改良である。

結合圧縮伸長装置は、1960年代の初めから既に知られて
いる。基本的には、結合圧縮伸長装置は高周波ラジオ通
信ネットワークにおいて用いられてケーブル及び人工衛
星システムに匹敵する品質及び安定性の基準を改善する
ものである。結合圧縮伸長装置の基本原理は以下の通り
である。まず、到来する音声信号が音声通路及び制御通
路に分配される。制御通路においては入力音声レベルの
エンベロープが検知され、この検知レベルに比例した信
号が生成される。音声通路に設けられた圧縮回路は制御
通路からの信号を用いて音節毎に検出した音声レベルに
応じてそのゲインを調整してほぼ一定の圧縮振幅を有す
る出力音声信号を得る。制御通路信号は対数信号に変換
されて電圧対デシベル変換のために補償されこの対数信
号は電圧制御発信器に供給され、この電圧制御発振器は
対応する音声毎になされた圧縮量に応じた出力周波数を
生ずる。圧縮音声信号及び制御周波数信号は組み合わさ
れて増幅され送信器へ入力される。受信側において、音
声成分及び制御周波数成分を含む復調信号は周波数分離
されて音声通路及び制御信号通路に分配される。制御信
号周波数は検知されて対数−直線（リニア）回路を経て
音声エンベロープレベル信号を得る。次いで、この信号
は音声通路に設けられた伸長回路に供給され、この伸長
回路は圧縮された音声信号を基の音声入力信号レベルに
まで増幅する。

従来は、結合圧縮伸長装置はアナログ回路であった。こ
のようなアナログ装置は大型でありかつ高価であり、し
かも操作者による定期的な調整を必要とするものであ
る。さらに、アナログ回路はもともと複雑であり、温度
変化に対して或いは振動に対しても正確に作動するよう
に設計されねばならずさらに厳しいパラメーター制限を
も充足して他のユニットとの両立性を得なければならな
い。

そこで、デジタル圧縮伸長装置が上記した米国特許にお
いて既に開示されている。このディジタル圧縮伸長装置
において圧縮器の減衰特性はディジタル制御信号によっ
て駆動されるディジタル回路によって提供される。電圧
制御発振器はディジタル制御信号によって変化せしめら
れ、正弦波出力制御信号を生ずる。

圧縮器及び制御周波数発振器を制御するディジタル制御
信号は入力音声信号の検出振幅を表わすディジタル信号
から得られる。

上記米国特許によって開示されたディジタル圧縮伸長装
置は従来のアナログ装置に対して大きく改良され、良好
なS/N比調整の不必要さ及び作動温度範囲の拡がりが得
られる。しかし乍ら、濾波エンベロープ検知、制御トー
ン発生及び信号混合のための種々のアナログ回路を必要
としそのようなアナログ回路はノイズによって影響され
易く電力消費も大きく大型であり安定性に欠けるという
不具合があった。

発明の概要 そこで、本発明の目的は圧縮伸長装置の安定性、融通性
及び信頼性を増すことにある。

本発明の他の目的はディジタル圧縮伸長装置におけるノ
イズ発生及び電力消費の減少をなすことである。

本発明によればプロセッサを用いた圧縮伸長通信装置が
提供され、この圧縮伸長装置においては圧縮及び伸長動
作がプログラマブルディジタル信号プロセッサによって
なされこのディジタル信号プロセッサはA/Dコンバータ
を含み、このA/Dコンバータはディジタル信号プロセッ
サ手段によって入力アナログオーディオ信号を圧縮さる
べき並列データディジタル信号に変換する。このディジ
タル信号プロセッサはディジタル信号を濾波して所定周
波数以上の成分を除去し、濾波されたディジタル信号の
位相を90°移相せしめ、この濾波されたディジタル信号
に移相されたディジタル信号を加えて複合信号を得、複
合信号からのオーディオ信号の振幅を演算し、演算され
た振幅を平均してオーディオ信号の音節速度を近似し、
平均振幅を表わす周波数を有するディジタル制御トーン
信号を生成し、平均振幅の逆数の量をディジタル信号に
乗算して圧縮ディジタル信号を生成し、この圧縮ディジ
タル信号とディジタルトーン信号とを出力する。この出
力信号はD/Aコンバータに供給され、圧縮ディジタル信
号及びディジタルトーン信号とをアナログ信号に変換し
伝送手段による伝送に供する。伸長動作はアナログ信号
含有データ及び変調伸長制御成分の入力に応答してA/D
コンバータによって生成された並列データディジタル信
号のデータ成分及び伸長制御成分を分離し、所定周波数
成分を変調制御成分に乗算して変調制御成分を得、復調
制御成分に基づくデータ成分の圧縮ファクターを表わす
値を計算し計算された圧縮ファクターに基づいて伸長フ
ァクターを演算し、該伸長ファクターをデータ成分に乗
算して伸長データ信号を得てこの伸長データ信号を出力
する。D/Aコンバータが該伸長データ信号をオーディオ
周波数アナログ信号に変換するために設けられる。

実施例 第１図は本発明による圧縮伸張通信装置の一実施例を示
すブロック図である。A/Dインターフェース10は16ビッ
トオーディオ周波数A/Dコンバータチップであり、これ
は通常の5KHzアンチ−アリエイジング（Anti-Aliasin
g）フィルター、直列−並列コンバータ、毎秒11Kサンプ
ルのサンプルレートでサンプリングするためのクロック
周波数分周／カウンタを含む。デュアルディジタルシグ
ナルプロセッサ20は２つの多目的ディジタルシグナルプ
ロセッサチップからなり各ディジタルシグナルプロセッ
サは16ビットマルチプライヤアキュムレータ、ローカル
メモリ、及び内部シーケンス／ロジック制御回路からな
っている。２つのシグナルプロセッサは１つのプロセッ
サだけでは十分な処理速度が得られないから用いられて
いるのである。デュアルオートメモリ30は第１シグナル
プロセッサがプログラムの前半を実行しその中間結果を
第２チップに当該メモリを介して供給するために用いら
れている。第２プロセッサは、ついで、プログラムの後
半を実行する。D/Aインターフェース40は16ビットオー
ディオ周波数D/Aコンバータチップであり、このチップ
は通常の再構成（Reconstruction）フィルター及び並列
−直列データコンバータからなる。コネクタ50はプラ
グ、ソケット及びワイヤからなり、データ信号及び制御
信号を外部装置との間で中継する。圧縮及び伸長動作を
実行するハードウェアは上述した通りであり、これらの
動作はプロセッサチップ内にプログラムされたソフトウ
ェアによって実行することができる。第２図は第１図の
装置のアナログインターフェース部の構成を詳細に示し
ている。インターフェース10はA/Dコンバータ11の直列
出力ビットを並列フォーマットに変換するための２つの
タップを有するシフトレジスタ12、カウンタ13及び毎秒
11Kサンプルレートによってサンプリングするための11K
Hzのクロックをコンバータ11に提供するフリップ・フロ
ップ14からなる。内部クロック16はシグナルプロセッサ
チップを駆動するのに用いる20MHzマスタークロック信
号を送出する。第３図は本発明による圧縮伸長装置のデ
ュアルディジタルシグナルプロセッサを示す図であり、
この図において第１プロセッサ21はA/Dインターフェー
ス10からデータバスADを経たデータを受け取る。プロセ
ッサ21はプログラムROM23及び24に記憶されたプログラ
ムの第１部分を実行しデータバスADを経てプロセッサ間
メモリ30にその結果を提供する。第２プロセッサ22はメ
モリ30にアクセスしてデータバスBDを経て中間結果を受
け取る。プロセッサ22はROM25及び26に蓄積されたプロ
グラムの第２部分を実行しそして最終結果をデータバス
BDを介してD/Aインターフェース40に供給する。外部制
御信号は入力端子CI0からCI7までの入力端子から制御バ
ッファ27を経てプロセッサ21に供給される。第４図はプ
ロセッサ間メモリ30の構造を図示している。プロセッサ
21はRAM31にデータを書き込む一方プロセッサ22はRAM31
からデータを読み取る故2:1マルチプレクサ32が設けら
れ各プロセッサがアドレスバスAA及びBAを介してRAM31
にアクセスできるようにしている。データバスAD及びBD
は三状態バッファ33を経てメモリ30に接続されて同一時
間において単一のバスがRAM31に接続されるようにして
バス競合を回避している。

第５図はD/Aインターフェース40の構造を示している。
データはデータバスBDを介して第２プロセッサ22からコ
ンバータ40の並列−直列シフトレジスタ41に供給され
る。D/Aコンバータ40はDACCLKラインを経た11KHzクロッ
ク16によって駆動される。オーディオ周波数D/Aコンバ
ータ40には直列データをオーディオ周波数アナログ信号
に変換しこれを出力端子11に出力する。

本発明による圧縮伸長装置の動作について第６図及び第
７図のフローチャートを参照して以下に説明する。ま
ず、伝送さるべき音声信号は、ステップC1において、16
ビット並列ディジタル信号を通してA/Dインターフェー
ス10からデータバスADを介してプロセッサ21に供給され
る。ステップC2において、プロセッサ21はディジタル信
号を濾波して2700Hzまでの成分を通過し2800ないし5500
Hzの信号を除去する。ステップC3において、250Hzまで
の低周波のノイズ成分が除去される。これらの濾波ステ
ップC2及びC3における上限周波数はA/Dコンバータ11に
おける11KHzのナイキストサンプリングレートによって
決定される。ステップC4において、中間結果がデータバ
スADを経てプロセッサ間メモリ30に供給され、データバ
スＢを介してプロセッサ22に中継される。ステップC6に
おいて濾波されたディジタル音声データ信号はヒルバー
ト（Hilbert）変換される。すなわち、音声周波数は90
°移相されて同相及びクオドラチャ成分からなる複合信
号を生成してステップC7における音声エンベロープの検
知を可能にする。ステップC7における演算においては音
声データ信号の実数部及び虚数成分からピタゴラスの大
きさを演算し音声キャリア周波数を除去し音声データの
振幅エンペロープのみを次の処理のために残す。振幅エ
ンベロープは適当な音節速度によってサンプリングされ
るべきであり、ステップC8において時間的に平均され
る。なお、音節速度は発声の際の音節の速度であり、オ
ーディオ信号の音節速度はオーディオ信号に現れる音節
の速さである。ステップC9において圧縮ファクターは逆
数ルックアップテーブルから決定される。なんとなれば
入力音声が大となればなる程音声データ信号に与えられ
るゲインは小さくしてほぼ一定の振幅の圧縮信号をなけ
ればならないからである。ステップC5において、当該音
声データ信号はステップC6においてヒルバート変換をさ
れて遅延せしめられて次の処理ステップC7乃至C9による
処理を受ける。当該逆数成分はステップC9において入力
音声データ信号を減衰せしめるために用いられる。ステ
ップC11において、2800Hz以上の周波数成分は信号のア
リエイジング（aliasing）を回避しかつ等化せしめてサ
ンプリング動作に備えるべく減衰除去せしめられる。ス
テップC8と同様に、ステップC12はエンベロープの時間
平均を演算して音声データ信号の音節速度を近似する。
振幅量はステップC13において対数値に変換され制御ト
ーン周波数シフトの電圧対デシベル要求を充足せしめ
る。次いでこの演算値はステップC14においてディジタ
ル制御トーン信号を生成するに用いられ、このディジタ
ル制御トーン信号の周波数は対数テーブル検索において
演算された値に比例し従って圧縮ファクターに対数的に
関連する。最後にステップC15においてステップC11から
得られた圧縮ディジタル信号及びステップC14において
演算されこれに対応するディジタル制御トーン信号はD/
Aコンバータ42データバスBDを介して供給されアナログ
信号に変換されて伝送装置に入力される。

第７図は本発明による圧縮伸長装置の受信機によって実
行される動作を示すフローチャートである。受信機にお
いて受信された圧縮アナログ信号はデータバスADを経て
A/Dインターフェース11に供給され、その結果得られる1
6ビット並列ディジタル信号はステップE1においてプロ
セッサ21に供給される。メイン音声周波数信号は次い
で、プロセッサ間メモリ30に直接供給される。ステップ
Ｅにおいてディジタル信号は濾波されて2800ないし2900
Hz周波数の成分のみが残る。この周波数帯域はディジタ
ル制御トーン周波数を含んでいる。ステップE3において
受信したディジタル制御トーン信号は2900Hz正弦波と混
合せしめられる。この混合はディジタル制御トーン信号
に2900Hzの正弦波及び余弦波成分をディジタル的に乗算
してベースバンド制御トーンの複合成分を得ることによ
り行なわれる。これらの成分はその振幅量及び位相を演
算することによりベースバンド制御トーンの周波数に比
例する位相を増加信号を演算する。

第８図はリニア予想ステップE3の動作の詳細を示すフロ
ーチャートである。2900Hz信号はステップE3（１）にお
いてヒルバート変換されてその信号の正弦波成分を生成
し、この正弦波成分はステップE3（２）において制御ト
ーン信号に乗算せしめられ、従ってこの制御トーン信号
は2900Hzキャリア信号において変調せしめられる。同相
及びクオドラチャ成分は、次いで、ステップE3（３）に
おいて低周波濾波されて制御トーン帯域におけるクオド
ラチャベースバンド制御トーン変位（displacement）信
号のみが残る。ステップE3（４）及びE3（５）において
2900Hz信号の余弦波成分について同様な動作が行なわれ
る。ステップE3（６）において、単純直線予想コードが
各複合サンプルに対して次のサンプルの複合共役数を乗
算せしめる。すなわち （Re1＋jIm1）×（Re2−jIm2）＝（Re1×Re2＋Im1×Im
2）＋ｊ（Re2×Im1−Re1×Im2） この乗算は４つの連続するサンプル対に対して行なわれ
る。そして、各積ベクトルの角度はコントロールトーン
変位周波数に比例している。なんとなればこの角度はサ
ンプルからサンプルに至る変位の量を示しているからで
ある。ステップE3（７）においては、直角座標を積ベク
トルが直座標表示に変換され従ってその角度が位相増加
信号として得られる。ステップE4においてはこの位相増
加信号がデータバスADを介してプロセッサ間メモリ30に
供給される。ステップE5及びE6において、音声データ信
号が濾波されて150Hz以下および2700Hz以上の成分が除
去される。ステップE7において、この濾波された信号が
濾波信号の大きさによって定まるディジタル自動ゲイン
制御ファクターに乗算せしめられる。この自動ボリュー
ム制御は圧縮信号の大きさを伸長回路の16ビット固定点
範囲に納めるために必要である。

ステップE8において、位相増加信号は処理されて高周波
成分が除去され、圧縮信号の伸長を音節ベースにおいて
生ずるようにせしめる。ステップE9において対数位相増
加信号は対数−リニアルックアップテーブルを検索する
ことによって圧縮ファクターに逆比例するリニアゲイン
ファクターに変換される。このディジタルゲインファク
ターすなわち伸長ファクターはステップE10において圧
縮及び等化せしめられた音声データ信号に加えられても
との音声振幅レベルを再生する。伸長ディジタル音声デ
ータ信号はD/Aインターフェース40にデータバスBD公開
して供給されオーディオ周波数音声信号に変換され出力
装置において出力される。

上記したことから明らかなように本発明の範囲内におい
て種々の変形をなすことが可能であり、かかる変形は当
業者によって自明のことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による実施例のディジタル圧縮伸長装
置を示すブロック図、第２図は、第１図の装置のA/Dコ
ンバータ10を詳細に示すブロック図、第３図は、第１図
の装置のデュアルディジタルシグナルプロセッサ20を示
すブロック図、第４図は、第１図のプロセッサ間メモリ
30を示すブロック図、第５図は、第１図の装置のD/Aコ
ンバータの詳細を示すブロック図、第６図及び第７図
は、信号圧縮及び伸長のためのデュアルディジタルシグ
ナルプロセッサ20の動作を示すフローチャート、第８図
は、第７図のリニア予想ステップE3を示すフローチャー
トである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームス ハワード レヴェック アメリカ合衆国 メリーランド州 21043 エリコットシティ コロニアルドライヴ 10094 (72)発明者 フレデリック エイ．ウィリアムス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92024 エンシニタス アルヴィソウェイ 441 (72)発明者 ジョン エルドン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92024 エンシニタス シーリアスストリ ート 222

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮器及び伸長器を含む圧縮伸長伝送装置
   であって、 前記圧縮器は、アナログオーディオ信号を並列データデ
   ィジタル信号に変換するA/Dコンバータと；前記ディジ
   タル信号を圧縮するディジタルシグナルプロセッサであ
   って、前記ディジタル信号を濾波して所定周波数以上の
   高周波成分を除去するステップと、当該濾波後のディジ
   タル信号の位相を90°移相せしめるステップと、当該濾
   波後のディジタル信号に移相ディジタル信号を加えて複
   合信号を得るステップと、前記複合信号からオーディオ
   信号の大きさを演算するステップと、当該大きさを時間
   平均して前記オーディオ信号の音節速度（syllabic rat
   e）を近似するステップと、当該時間平均値を表わす周
   波数を有するディジタル制御トーン信号を生成するステ
   ップと、当該時間平均値に逆比例する量を前記ディジタ
   ル信号に乗算して圧縮ファクタを含む圧縮ディジタル信
   号を生成するステップと、当該乗算後のディジタル信号
   を濾波して前記所定周波数以上の成分を除去するステッ
   プと、前記圧縮ディジタル信号及びディジタル制御トー
   ン信号を出力するステップとを実行するディジタルシグ
   ナルプロセッサと；前記圧縮ディジタル信号及びディジ
   タル制御トーン信号を伝送手段による伝送のための組み
   合わせアナログ信号に変換するD/Aコンバータと；から
   なり、 前記伸長器は圧縮データ成分及び変調伸長制御成分を含
   む圧縮アナログ信号を並列データディジタル信号に変換
   するA/Dコンバータと；前記圧縮データ成分を伸長する
   ディジタルシグナルプロセッサであって、前記圧縮デー
   タ成分と伸長制御成分とを分離するステップと、前記伸
   長制御成分に所定周波数を乗算して復調制御成分を得る
   ステップと、前記復調制御成分に基づいてデータ成分の
   圧縮ファクタを表わす値を演算するステップと、前記圧
   縮ファクタの演算値に基づいて伸長ファクタを演算する
   ステップと該伸長ファクタを前記データ成分に乗算する
   ことにより伸長されたデータ信号を得るステップと、該
   伸長データ信号を出力するステップとを実行するシグナ
   ルプロセッサと；該伸長データ信号をオーディオ周波数
   アナログ信号に変換するD/Aコンバータと；からなり、
   前記復調制御成分を得るステップは、前記伸長制御成分
   の連続するサンプル値に前記所定周波数成分を乗算して
   複数の複合信号を得るステップと、前記複合信号に連続
   する複合信号の複合共役数を乗算して積を得るステップ
   と、前記積を極座標表示に変換して極座標表示の積の角
   度を前記復調制御成分とするステップとからなることを
   特徴とする伝送装置。
2. 【請求項２】前記並列データディジタル信号は16ビット
   並列ディジタル信号であることを特徴とする請求項１記
   載の伝送装置。
3. 【請求項３】前記A/Dコンバータは前記オーディオ信号
   をサンプリングする手段を含むことを特徴とする請求項
   １記載の圧縮器。
4. 【請求項４】前記ディジタルシグナルプロセッサは、複
   数のディジタルシグナルプロセッサユニット間にデータ
   を転送するプロセッサ間メモリを含むことを特徴とする
   請求項１記載の圧縮器。
5. 【請求項５】前記オーディオ信号は音声信号であること
   を特徴とする請求項１記載の圧縮器。
6. 【請求項６】圧縮伸長伝送装置の伸長器であって、 データ成分及び変調された伸長制御成分とを含む圧縮ア
   ナログ信号を並列データディジタル信号に変換するA/D
   コンバータと； 前記ディジタル信号のデータ成分を伸長するディジタル
   シグナルプロセッサと； 該伸長されたデータ信号をオーディオ周波数アナログ信
   号に変換するD/Aコンバータとからなり； 前記ディジタルシグナルプロセッサは、前記ディジタル
   信号の前記圧縮データ成分及び伸長制御成分を分離する
   ステップと、 前記変調された伸長制御成分に所定周波数を乗算して復
   調された制御成分を得るステップと、 当該復調された制御成分に基づいてデータ成分の圧縮フ
   ァクタを表わす値を演算するステップと、 当該圧縮ファクタに基づいて伸長ファクタを演算するス
   テップと、 前記データ成分に前記伸長ファクタを乗算して伸長され
   たデータ信号を得るステップと、 前記伸長されたデータ信号を出力するステップとからな
   るステップを実行し、 前記乗算ステップは、前記伸長制御成分の連続するサン
   プルに前記所定周波数成分を乗算して複数の複合信号を
   得るステップと、前記複合信号にこれの共役数を乗算し
   て積を得るステップと、前記積を極座標変換して得られ
   る極座標表示積の角度を前記復調制御成分として得るス
   テップとからなることを特徴とする伸長器。
7. 【請求項７】前記圧縮データ成分は、音声の音節を表わ
   すことを特徴とする請求項６記載の伸長器。
8. 【請求項８】前記並列データディジタル信号は16ビット
   並列データ信号からなることを特徴とする請求項６記載
   の伸長器。
9. 【請求項９】前記A/Dコンバータは、前記圧縮アナログ
   信号をサンプリングすることを特徴とする請求項６記載
   の伸長器。
10. 【請求項１０】前記ディジタルシグナルプロセッサは複
    数のディジタルシグナルプロセッサユニットと、前記デ
    ィジタルシグナルプロセッサユニット間のデータ変換を
    なすプロセッサ間メモリとからなることを特徴とする請
    求項６記載の伸長器。