JPH09512347A - アナログ信号コーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ディジタル無線システム用音声コーデックにおいて使用するのに好適なアナログ信号コーダは、前記アナログ信号をディジタル化する手段（１２）と、前記アナログ信号に関する長期補正係数を得る手段（２２）と、多数の短期係数を得る手段（２４）とを具える。前記コーダは、前記アナログ信号に対する近似を合成するのに使用できる励起配列を得る手段をさらに含む。前記長期係数を得る手段（２２）は、ディジタル化された信号の標本の積の和を複数得て、前記積の和を補間する。前記長期補正係数を、前記複数の補間された積の和から、分数分解能および減少された計算的複雑さをもって得る。

Description

【発明の詳細な説明】 アナログ信号コーダ 技術分野 本発明は、特別な、しかし高価でない、ディジタルラジオシステムにおいて使 用される音声コーデックに用途を有するアナログ信号コーダに関するものである 。本発明はさらに、このようなコーダにおけて使用される長期フィルタと、この フィルタによって使用される予測フィルタ処理とにも関係する。 背景技術 低ビットレートアナログ信号符号化は、ディジタル個人用移動無線およびディ ジタルセルラ電話の導入によって、制限された周波数スペクトルをより良く使用 するために、ますます重要になってきている。しかしながら、音声品質と、ビッ トレートと、コーダの複雑さとの間で折衷しなければならない。低ビットレート において良い品質を得るために、重い計算負荷を有する複雑な音声コーダを通常 必要とする。移動無線ユニットの費用および電力消費の双方を減少させるために 、この計算負荷をより低くしようとする圧力が常に存在する。 ある種類の低ビットレート音声コーダは、長期予測器を使用し、元信号におけ る冗長度に関するピッチの符号化を行い、これはコーダの複雑さに対して大きな 寄与となりうる。このようなピッチ予測を用いるある形式のアナログ信号符号化 は、符号励起線型予測（Code Excited Linear Predictlon）すなわちＣＥＬＰで ある。ＣＥＬＰは、International Confrence on Acoustics，Speech and Signa l Processing（ICASSP）1985の会報におけるB.S.AtalおよびM.R.Schroederによ る’符号励起線型予測（ＣＥＬＰ）：極低ビットレートにおける高品質音声（Co de Excited Linear Prediction(CELP):High Quality Speech at Very Low Bit R ates）’において紹介されている。入力音声は、確率コードブック（コーダおよ びデコーダの双方に設けられている）における配列の見出しとして符号化され、 利得値を含むいくつかのパラメータと共に長期（またはピッチに関係した）およ び短期（またはスペクトル包絡）予測係数として符号化される。符号化ビットレ ートおよびコーダの複雑さを減少させるために、前記長期予測フィルタは、より 多数（明らかに３つ）のタップが使用されているのにもかかわらず、通常１つの タップ装置を使用する。音声コーダにおける長期予測フィルタの必要とされる遅 延の代表的な値は、２ないし２０ミリ秒であり、これらは５００ないし５０Ｈｚ のピッチに対応する。 国際特許出願第ＷＯ９１／０３７９０において見られるように、符号化すべき 音声を８ｋＨｚ程度において標本化すると、高いピッチの音声信号の周期は、ち ょうど１６標本周期に対応する恐れがある。整数値の標本周期を使用して長期予 測（ＬＴＰ）遅延を規定する場合、分解能は劣ってしまう。この量子化誤りは、 符号化された高いピッチの音声の再合成において激しい歪みを引き起こす恐れが ある。前記特許出願は、補間フィルタ処理を使用する音声を上方標本化して長期 予測における量子化誤りを減少させる、この問題の解決法を開示している。最適 な長期予測の探索は、先行技術の（整数分解能）装置に類似しているが、分解能 がより高い。残念ながら、この最適遅延の探索は、得られる長期予測の精度の上 昇に比例して、計算量をより増加させる。 発明の開示 本発明の目的は、上昇した長期予測分解能を有するが、計算負荷の不利益がよ り少ない音声コーダを提供することである。 本発明の第１の態様によれば、アナログ信号をディジタル化する手段と、前記 アナログ信号に関する長期訂正係数を得る手段と、前記アナログ信号に関する多 数の短期係数を得る手段と、前記アナログ信号の近似を合成するのに使用するこ とができる励起配列を得る手段とを具えるアナログ信号用符号化装置において、 前記長期係数を得る手段が、ディジタル化された信号の標本の積の和を複数得る 手段と、前記積の和を補間する手段と、前記標本の補間された複数の積の和から 長期補正係数を決定する手段とを具えることを特徴とするアナログ信号用符号化 装置が提供される。 本発明は、信号コーダにおける補間長期予測フィルタによって加えられる計算 負荷を、前記補間フィルタ処理を前記標本値によるよりも、ディジタル化された 信号の積の和の組によって（元信号から直接か、スペクトル包絡フィルタ処理の 後に）行う場合に、相当に（代表的に半分に）減少させることができるというこ とを基礎としている。前記ディジタル化された信号は、少なくとも部分的に、い くつかの予め符号化された音声標本から成ってもよい。これは、前記予め符号化 された音声標本を使用してＬＴＰ遅延係数を得る場合、ＬＴＰ遅延の閉ループ決 定において生じると思われる。再合成器が前記予め符号化された標本に対するア クセスを有し、もちろん元音声に対するアクセスを持たないことから、これは、 より品質の高い再合成された音声を与える。 例えば、ＣＥＬＰ音声コーダにおける長期フィルタ係数の選択を、時間遅延に よって分離された前記標本間の積の二乗を前記標本値（しばしば近似値が使用さ れる）の振幅に関係する期間で割った値を最大にすることによって行うことがで きる。本発明による技術を、この除算処理における分子および／または分母のい ずれかまたは双方に有利に用いることができる。 本発明の第２の態様によれば、複数の標本を記憶する手段と、前記複数の標本 に関する積の和を複数得る手段と、前記積の和を補間する手段と、前記補間され た標本の補間された複数の積の和から長期補正係数を決定する手段とを具える予 測フィルタ処理装置が提供される。 図の簡単な説明 本発明を、例として、添付した図の参照と共に説明する。 図１は、本発明を用いることができる既知のＣＥＬＰの図式的なブロック図で ある。 図２は、本発明による長期予測器の図式的なブロック図である。 発明を実施する形態 図１における音声コーダは、マイクロフォン１０を具え、このマイクロフォン １０の出力信号をアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１２においてディジタル 化し、ディジタル化された音声標本の列を、係数分析器１４と、減算器１６とし て示す比較器とに供給する。コードブック１８は、多数の確率配列を含み、これ らの確率配列は、係数分析器１４によって得られた利得パラメータＧを有する増 幅器２０に順次に読みだされる。増幅器２０の出力信号を、係数分析器１４によ って得られた遅延パラメータを有する長期フィルタ２２に供給する。フィルタ２ ２の出力信号をフィルタ２４に供給し、このフィルタ２４に、係数分析器１４に よる多数の係数ｄ２を供給する。フィルタ２４の出力信号を比較器１６に供給し 、この比較器１６は、その２つの入力信号の差に対応する出力信号を重み付けフ ィルタ２６に与え、その出力信号を、ＡＤＣ１２およびフィルタ２４からの波形 間の調和の知覚的な近似に関して分析する。他のフィルタをＡＤＣ１２に直列に 設け、前記入力音声信号を既知の方法においてフィルタ処理してもよい。 動作において、コードブック１８からの配列を、前記入力音声信号から決定さ れた特徴にしたがって増幅およびフィルタ処理し、次に前記入力音声信号および フィルタ処理された配列とを比較する。最も近い知覚的調和を与えるコードブッ ク１８における配列が得られると（フィルタ２６は、人間の聴覚を近似するよう に構成されている）、前記入力音声の符号化された変形を供給することができる 。前記符号化された変形は、符号化ブック配列見出しと、長期および短期フィル タ係数と、利得項とを具える。次に前記音声を、極めて低ビットレートにおいて 記憶または伝送してもよい。前記音声を、メモリから、または前記コーダにおい て使用したのと同じコードブック配列およびフィルタパラメータを使用する受信 機において再生することができる。上述したように、低い品質の再合成された音 声の１つの原因は、システムの標本化レートによって与えられる制限された時間 分解能の結果としての長期フィルタ２２である。開ループ配置を示したが、本発 明を、過去に符号化された標本からのＬＴＰ遅延を得る閉ループＬＴＰ予測器に 、等しく用いることができる。 前記長期フィルタにおいて改善された分解能を提案したが、既知のシステムは 、入力音声波形を上方標本化する補間フィルタを使用し、したがって、実際によ り高い分解能の元信号が提供される。この上方標本化の分析は、より高いレート におけるにもかかわらず整数周期の分析と同じように生じる。しかしながらこれ らの上方標本化およびより高い分解能の長期予測が余分な計算パワーを必要とす るために、計算オーバヘッドがより大きくなる。 本発明による長期予測を図２に示す。図１の係数分析器に用いられる標本化信 号を、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３２において記憶される信号であるバ ス３０によって示す。ＲＡＭ３２（読み出しよりもむしろ書き込み制御を受ける ＲＡＭのデータバスを具える）の出力信号を、遅延素子３４に供給し、この遅延 素子３４は、ＲＡＭ出力信号の値を保持する一方、他のＲＡＭ位置の内容を復旧 する。第２アドレスの内容が復旧されると、２つの内容を乗算器３６によって乗 算することができる。乗算器入力部に、ＲＡＭ３６の他の部分から復旧された値 を供給することができる。乗算器３６の出力信号を累算器３８に供給し、累算器 ３８の出力信号を他のＲＡＭ４０に供給する。ＲＡＭ４０を、シフトレジスタ４ ２が２０段を具えることの説明を簡単にするために、シフトレジスタ４２に結合 して示す。シフトレジスタ４２の各々の段を、乗算器４４，１ないし４４，２０ （明瞭にするために数個のみを示す）の第１入力部に接続し、これらの乗算器の 各々は、補間フィルタ係数を受ける第２入力部を有し、乗算器４４，１ないし４ ４，２０の出力信号を、加算器４６において累算する。シフトレジスタ４２、乗 算器４４，１ないし４４，２０および加算器４６の組み合わせは、補間フィルタ を形成する。制御手段４８を、加算器４６の出力部に接続し、以下に説明する最 大値を保持する。前記補間フィルタ処理を、例えば、C.S.BurrusおよびT.W.Park による’DFT/FFT and convolution algorithms’John Wiley 1985から既知のよ うなｓｉｎｃ関数（ｓｉｎ ｘ）／ｘによって便利に行うことができる。 動作において、多数の音声標本の対をＲＡＭ３２から読み出し、乗算および累 算して、複数の異なった時間遅延における入力データの積の和を得る。次にこれ らの和を、補間フィルタ４２、４４、４６を経て供給するために記憶し、行うべ き補間を可能にする。前記入力信号の積の和を補間して前記長期予測係数を得る ことによって、入力音声標本を直接補間するシステムよりも、計算オーバヘッド における相当な節約を実現することができる。 長期予測遅延決定の以下の例において、以下の仮定を用いる。 最適なＬＴＰ遅延値Ｎを、以下の（整数）式においてＬＴＰを最大にする（整 数）遅延ｉによって決定することができる。 Ｎ＝ｍａｘ（Σｄ（ｋ＋ｉ）ｄ（ｋ））²／Σｄ（ｋ＋ｉ）²を与えるｉの値 ［１］ ここで、ｄ（ｋ）は、音声信号のフィルタ処理された変形であり、 ｋは、（整数）標本見出しである。 すなわちＮは、入力信号の振幅を表す項によって割られた分離した１個の標本に おける信号による、乗算する標本の最大値である。前記加算を、分析されている 期間に対応するｋの値に対して行う。例えこの程度のどのような数が好適である としても、代表的な値は、８０の音声標本である。 分子（ｎｕｍ）および分母（ｄｅｎ）の項を、 ｎｕｍ（ｉ）＝Σｄ（ｋ＋ｉ）ｄ（ｋ） ［２］ ｄｅｎ（ｉ）＝Σｄ（ｋ＋ｉ）² ［３］ として書くことができ、Ｎの値は、ｎｕｍ（ｉ）²／ｄｅｎ（ｉ）を最大にする ｉである。 前記方法を、整数遅延ｉに分数項σを負荷することによって分数遅延に拡張す ると、 ｎｕｍ（ｉ＋σ）＝Σｄ（ｋ＋ｉ＋σ）ｄ（ｋ） ［４］ ｄｅｎ（ｉ＋σ）＝Σｄ（ｋ＋ｉ＋σ）² ［５］ となり、ｎｕｍ（ｉ＋σ）²／ｄｅｎ（ｉ＋σ）を最大にするｉ＋σの値を得る ことができる。 したがって、分解能を改善する先行技術の方法は、ｉを（ｉ＋σ）の項に置き 換え、ここでσは分数標本遅延であり、関係する標本は、既知の補間技術を使用 して決定される。必要な補間を、ｓｉｎｃ関数Ｆを使用して行うことができ、 ｄ（ｋ＋ｉ＋σ）＝ΣＦ（ｉ，σ）ｄ（ｋ＋ｊ） ［６］ となり、ここでＦ（ｉ，σ）は補間フィルタ係数であり、加算の代表的な範囲は 、ｊ＝−１０ないしｊ＝＋１０である。 しかしながら本発明による新たな方法は、以下のような分子および分母に対す る近似を発生する。 ｎｕｍ’（ｉ＋σ）＝ΣＦ（ｉ，σ）ｎｕｍ（ｉ＋ｊ） ［４］ ｄｅｎ’（ｉ＋σ）＝ΣＦ（ｉ，σ）ｄｅｎ（ｉ＋ｊ） ［５］ 同じフィルタ係数および同じ補間パラメータを使用する。この技術は、ナイキス トレートにおいて標本化されたバント制限信号と、低ビットレート符号化および 大部分の他の用途とにおいて有効であり、この基準は満たされる。ｎｕｍ（ｉ） およびｄｅｎ（ｉ）の補間値を記憶することが必要であるが、これは、メモリの 量をあまり必要としない。 先行技術の分数遅延技術と比較した場合に減少する新たな技術の複雑さを、２ つの例によって説明する。第１に、 音声標本ブロックサイズ ８０標本 遅延値の範囲 ２０ないし１４７ 分数遅延間隔 １／８ 補間フィルタ係数 ２０ 標本レート ８ｋＨｚ 音声標本の補間を直接使用してＬＴＰ係数を求めるために、 式［４］を８×１２８回求めるために、８×１２８×８０動作＝８１９２０動作 を必要とし、 式［５］を８×１２８回求めるために、８×１２８×８０動作＝８１９２０動作 を必要とし、 式［６］を８×８０回求めるために、８×８０×２０動作＝１２８００動作を必 要とし、結果として、上述した動作の加算と、１００すなわち１秒当たりのブロ ック数による乗算とによって１秒当たり１７．６６４百万動作（ＭＯＰＳ）を必 要とする。 ベクトル積の和の技術を使用すると、 式［２］を１４８回求めるために、１４８×８０動作＝１１８４０動作を必要と し、 式［３］を１４８回求めるために、１４８×８０動作＝１１８４０動作を必要と し、 式［７］を８×１２８回求めるために、８×１２８×２０動作＝２０４８０動作 を必要とし、 式［８］を８×１２８回求めるために、８×１２８×２０動作＝２０４８０動作 を必要とし、上述した動作を加算し、１００を乗算する場合、合計６．４６４Ｍ ＯＰＳが生じ、先行技術のほぼ１／３に減少する。 第２の例は、ＣＥＬＰ符号化システムに関してすでに既知の、いくつかの簡単化 技術を使用する。ＬＴＰ遅延を最適化する式の分母の項を反復的に計算し、この 結果、計算オーバヘッドは、分析から無視されるほど低くなる。これは、前記分 母の項に対する十分に正確な近似を発生することが知られている。加えて、分数 ＬＴＰ遅延値を、遅延範囲の繰り返し部分のみを計算し、すべての遅延量に関す る最高分解能による必要はない。 これらのパラメータは、 音声標本ブロックサイズ ８０標本 整数遅延値の範囲 ２０ないし１４７ 分数遅延値の数 １２８ 最小有理遅延間隔 １／８ 補間フィルタ係数 ２０ 標本レート ８ｋＨｚ 音声標本の補間を直接使用してＬＴＰ係数を求めるために、 式［２］を１２８回求めるために、１２８×８０動作＝１０２４０動作を必要と し、 式［４］を１２８回求めるために、１２８×８０動作＝１０２４０動作を必要と し、 式［６］を８×８０回求めるために、８×８０×２０動作＝１２８００動作を必 要とし、加算および１００を乗算する場合、合計３．３２８ＭＯＰＳが生じる。 ベクトル積の和の技術を使用すると、 式［２］を１４８回求めるために、１４８×８０動作＝１１８４０動作を必要と し、 式［７］を１２８回求めるために、１２８×２０動作＝２５６０動作を必要とし 、 式［８］を１２８回求めるために、１２８×２０動作＝２５６０動作を必要とし 、加算および１００の乗算の場合、合計１．６９６ＭＯＰＳが生じ、先行技術の ほぼ１／２に減少する。補間のより選択的な使用は、より少ない全体的な補間を 必要とすることを意味するため、先行技術よりも相対的に減少する計算の複雑さ は、この場合においてはあまり明確ではない。 本発明をＣＥＬＰ音声コーダの参照と共に説明したが、本発明によるＬＴＰ遅 延誘導は、より広範囲の用途を有することは理解されるであろう。 本明細書を読むことによって、種々の変形例が当業者には明らかであろう。こ のような変形例は、通信システムおよびその部品の設計、製造法および使用法に おいて既知の他の特徴と、本明細書にすでに記述した特徴の代わりに、またはそ れに追加して使用することができる他の特徴とを含むことができる。本願におい ては、請求の範囲を、特徴の特別な組合せについて記述したが、本願明細書の範 囲は、請求の範囲に記載された発明と同一の発明か否かに係わらず、同一の技術 的問題のいずれもを、またはすべてを軽減するかどうかに係わらず、ここで明白 に、または暗黙の内に開示されたいかなる新たな特徴、または新たな特徴の組合 せ、またはこれらを総合したものも含むものである。本出願人はこの結果、本願 またはそこから得られた他のいかなる出願の審査の間にも、そのような特徴、お よび／またはそのような特徴の組合せに対して新たな請求の範囲を形成すること ができることを述べておく。 産業上の利用可能性 例えば、コードレスおよびセルラ電話システムおよび個人用移動無線システム であるディジタル無線システム用音声コーデック。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アナログ信号をディジタル化する手段と、前記アナログ信号に関する長期訂 正係数を得る手段と、前記アナログ信号に関する多数の短期係数を得る手段と、 前記アナログ信号の近似を合成するのに使用することができる励起配列を得る手 段とを具えるアナログ信号用符号化装置において、前記長期係数を得る手段が、 ディジタル化された信号の標本の積の和を複数得る手段と、前記積の和を補間す る手段と、前記標本の補間された複数の積の和から長期補正係数を決定する手段 とを具えることを特徴とするアナログ信号用符号化装置。 ２．請求の範囲１に記載の符号化装置において、前記長期補正係数を決定する手 段が、前記ディジタル化された信号のエネルギを表す項によって分割された、複 数の補間された積の和から最大値を得ることを特徴とする符号化装置。 ３．複数の標本を記憶する手段と、前記複数の標本に関する積の和を複数得る手 段と、前記積の和を補間する手段と、前記補間された標本の補間された複数の積 の和から長期補正係数を決定する手段とを具える予測フィルタ処理装置。 ４．請求の範囲３に記載の予測フィルタ処理装置において、前記長期補正係数を 得る手段が、前記複数の標本のエネルギを表す項によって分割された、複数の補 間された積の和から最大値を得ることを特徴とする予測フィルタ処理装置。