JP3254687B2 - 音声符号化方式 - Google Patents

音声符号化方式

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JP3254687B2 JP10326291A JP10326291A JP3254687B2 JP 3254687 B2 JP3254687 B2 JP 3254687B2 JP 10326291 A JP10326291 A JP 10326291A JP 10326291 A JP10326291 A JP 10326291A JP 3254687 B2 JP3254687 B2 JP 3254687B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、音声信号を低いビット
レート、特に８〜４ｋｂ／ｓ程度で高品質に符号化する
ための音声符号化方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】音声信号を８〜４ｋｂ／ｓ程度の低いビ
ットレートで符号化する方式としては、例えば、Ｍ．Ｓ
ｃｈｒｏｅｄｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ｓ．Ａｔａｌ氏による
“Ｃｏｄｅ−ｅｘｃｉｔｅｄ ｌｉｎｅａｒ ｐｒｅｄ
ｉｃｔｉｏｎ：Ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｐｅｅｃ
ｈ ａｔ ｌｏｗ ｂｉｔ ｒａｔｅｓ”と題した論文
（Ｐｒｏｃ．ＩＣＡＳＳＰ，ｐｐ．９３７−９４０，１
９８５年）（文献１）等に記載されているＣＥＬＰ（Ｃ
ｏｄｅ Ｅｘｃｉｔｅｄ ＬＰＣ Ｃｏｄｉｎｇ）が知
られている。この方式では、送信側ではフレーム毎（例
えば２０ｍｓ）に音声信号から音声信号のスペクトル特
性を表すスペクトルパラメータを抽出し、フレームをさ
らに小区間のサブフレーム（例えば５ｍｓ）に分割し、
サブフレーム毎に過去の音源信号から長期相関（ピッチ
相関）を表すピッチパラメータを抽出し、ピッチパラメ
ータによりサブフレームの音声信号を長期予測（ピッチ
予測）する。音声信号と、予め用意された種類の雑音信
号からなるコードブックから選択した信号により合成し
た信号との誤差電力を最小化するように一種類の雑音信
号を選択すると共に、最適なゲインを計算する。そして
選択された雑音信号の種類を表すインデクスとゲイン、
ならびに、スペクトルパラメータとピッチパラメータを
伝送する。受信側の説明は省略する。
【０００３】また、長期予測の方法としては、例えば、
Ｗ．Ｋｌｅｉｊｎ氏らによる“Ａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃａｌｌｙ ｅｘｃｉｔｅｄ ｌ
ｉｎｅａｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｄｉｎｇ ａ
ｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｌ
ｏｗ ｂｉｔ ｒａｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｏｆ ｓｐｅｅｃｈ”と題した論文（Ｓｐｅｅｃｈ Ｃ
ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，７，ｐｐ．３０５−３１
６，１９８８年）（文献２）等に記載のように、過去の
音源を１サンプルずつずらして、２乗誤差を最小にする
過去の音源のずらし値（整数遅延）とこの遅延に対応す
るゲインを求める、適応コードブックの方法が知られて
いる。しかしながら、実際の音声信号のピッチ周期は、
サンプリング周波数の整数倍ではなく、特に女性話者の
ように声が高い場合（ピッチ周期が短い場合）、例えば
２０．５サンプルのピッチ周期は、整数値で表そうとす
ると、倍ピッチ周期である４１サンプルの遅延が選択さ
れやすくなり、再生音声の音質が大きく劣化する。この
ことはピッチ周期の短い女声における音質劣化の原因と
なっていた。
【０００４】この問題を解決するために、遅延（ピッチ
周期）を小数値で表現する方法が知られており、例え
ば、Ｐ．Ｋｒｏｏｎ氏らによる“Ｐｉｔｃｈ ｐｒｅｄ
ｉｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｏｒａｌ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”，（Ｐｒｏｃ．ＩＣＡＳＳ
Ｐ，ｐｐ．６６１−６６４，１９９０年）と題した論文
（文献３）等に記載されているように、音源信号をオー
バーサンプリングかポリフェーズフィルタリングするこ
とにより小数遅延を実現し音質を改善している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】Ｐ．Ｋｒｏｏｎ氏らの
方法により、遅延を小数点化する場合、補間比を４倍と
した場合、適応コードブックにおける小数遅延計算量
は、整数遅延に比べ４倍になるので、計算量が極めて多
くなる欠点があった。
【０００６】本発明の目的は、上述した問題点を解決
し、少ない演算量で小数遅延を実現する音声符号化方式
を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明における音声
符号化方式は、音声信号をサブフレームに分割する手段
と、前記分割された音声信号を分析する手段と、前記分
析された結果を用いて音声信号に対して聴覚上の重み付
けを加え重み付け信号を計算する手段と、現サブフレー
ムの重み付け信号と過去の重み付け信号との相関を計算
する手段と、前記相関値を用いて予め定められた誤差尺
度を計算し前記誤差尺度を小さくする或いは前記相関値
を大きくする順に整数遅延の候補を予め定められた個数
だけ求める手段と、前記整数遅延の候補に対し過去の音
源を用いて予め定められた誤差尺度を最小化或いは前記
相関値を最大化するような小数遅延を決定する手段と、
前記分析された結果を用いて音源コードブックから最適
音源を抽出する手段とを有することを特徴とする。
【０００８】第２の発明における音声符号化方式は、音
声信号をサブフレームに分割する手段と、前記分割され
た音声信号を分析する手段と、前記分析された結果を用
いて音声信号に対して聴覚上の重み付けを加え重み付け
信号を計算する手段と、前記音声信号から予測残差信号
を算出する手段と、前記予測残差信号と過去の音源との
相関を算出する手段と、前記相関値を用いて予め定めら
れた誤差尺度を計算し前記誤差尺度を小さくする或いは
前記相関値を大きくする順に整数遅延の候補を予め定め
られた個数だけ選択する手段と、前記整数遅延の候補に
対し過去の音源を用いて予め定められた誤差尺度を最小
化或いは前記相関値を最大化するような小数遅延を決定
する手段と、前記分析された結果を用いて音源コードブ
ックから最適音源を抽出する手段とを有することを特徴
とする。
【０００９】第３の発明における音声符号化方式は、音
声信号をサブフレームに分割する手段と、前記分割され
た音声信号を分析する手段と、前記分析された結果を用
いて音声信号に対して聴覚上の重み付けを加え重み付け
信号を計算する手段と、前記音声信号により予測残差信
号を算出する手段と、現サブフレームの予測残差信号と
過去の予測残差信号との相関を算出する手段と、前記相
関値を用いて予め定められた誤差尺度を計算し前記誤差
尺度を小さくする或いは前記相関値を大きくする順に整
数遅延の候補を予め定められた個数だけ選択する手段
と、前記整数遅延の候補に対し過去の音源を用いて予め
定められた誤差尺度を最小化或いは前記相関値を最大化
するような小数遅延を決定する手段と、前記分析された
結果を用いて音源コードブックから最適音源を抽出する
手段とを有することを特徴とする。
【００１０】第４の発明における音声符号化方式は、第
１，第２，第３の発明の音声符号化方式において、複数
種類の整数遅延の各候補に対して小数遅延を過去の音源
により決定し、各小数遅延に対して音源コードブックか
ら最適音源を抽出して信号を再生し音声信号と前記再生
信号との誤差電力を最小化する小数遅延と音源コードブ
ックを選択する手段を有することを特徴とする。
【００１１】
【作用】第１の発明においては、現サブフレームの重み
付け信号と過去の重み付け信号との相関値を予め定めら
れた整数値のピッチ周期の範囲にわたり計算し、あらか
じめ決められた候補数だけ、誤差尺度の小さい或いは相
関値の大きい順に整数遅延の候補を複数種類求める。次
に各整数値遅延候補の前後数サンプルの遅延の範囲に対
して、小数遅延を過去の音源のポリフェーズフィルタリ
ングにより求め、最も誤差電力の小さい小数遅延を選択
する。ここでポリフェーズフィルタリングの具体的な方
法は、前記文献３等を参照できる。
【００１２】第２の発明においては、過去の音源と、サ
ブフレームの入力音声の逆フィルタ信号（予測誤差信
号）との相関値をあらかじめ定められた整数値のピッチ
周期の範囲にわたり計算し、あらかじめ決められた候補
数だけ、誤差尺度の小さい或いは相関値の大きい順に整
数遅延候補を求める。各整数値遅延候補の前後数サンプ
ルに対して、小数遅延を過去の音源のポリフェーズフィ
ルタリングにより求め、最も誤差電力の小さい小数遅延
を選択する。
【００１３】第３の発明においては、現サブフレームの
逆フィルタ信号（予測残差信号）と過去の残差信号との
相関値をあらかじめ定められた整数値のピッチ周期の範
囲にわたり計算し、あらかじめ決められた候補数だけ、
誤差尺度の小さい或いは相関値の大きい順に整数遅延候
補を求める。各整数値遅延候補の前後数サンプルに対し
て、小数遅延を過去の音源のポリフェーズフィルタリン
グにより求め、最も誤差電力の小さい小数遅延を選択す
る。
【００１４】以上の場合で、２つの信号をｘ（ｎ），ｙ
（ｎ）とすると、整数遅延Ｔは下記の式Ｅを最小にする
ように得られる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
【００１７】この場合、ゲイン項であるγが下記のよう
になるとき、Ｅは最小になるので
【数２】
【００１８】
【００１９】誤差パワーＥは下記の式Ｍが最も大きくな
るとき、最も小さくなる。
【００２０】
【数３】
【００２１】
【００２２】また、演算量をさらに低減化するために、
相関値として
【数４】
【００２３】
【００２４】を用いることもできる。
【００２５】次に、各整数値遅延候補の前後数サンプル
の範囲に対して、小数遅延を過去の音源のポリフェーズ
フィルタリングにより求める。
【００２６】第４の発明においては、小数遅延を一意に
決定するのではなく、各整数遅延に対して、最適な小数
遅延を求め、各小数遅延に対して最適な音源コードブッ
クを選択して信号を再生し、入力音声と再生信号との誤
差電力を最小化するような小数遅延と音源コードブック
の組合せを選択する。
【００２７】
【実施例】図１は第１の発明の実施例であり、図２は第
２の発明の実施例、図３は第３の発明の実施例を示す図
である。最初に各モジュールの動作説明をする。
【００２８】バッファ装置１１０は、音声信号を記憶し
ておく装置である。
【００２９】サブフレーム分割器１２０は、バッファに
蓄積された音声信号をいくつかのサブフレームに分割す
る装置である。
【００３０】ＬＰＣ分析器２１０は、フレーム毎に音声
のスペクトルパラメータであるＬＰＣ係数を抽出する装
置である。
【００３１】バッファ装置１１０，サブフレーム分割器
１２０，ＬＰＣ分析器２１０は、既存のものを用いる。
【００３２】ＬＰＣ係数量子化器２１５は、ＬＰＣ係数
を量子化する装置であり、周知の方法を用いることがで
きる。
【００３３】重み付けフィルタ１３０は、サブフレーム
に分割された音声信号に対して周知の聴感重み付けを行
う。具体的な方法は前記文献１等を参照できる。
【００３４】相関算出器１４０は、整数遅延の候補を決
定するために、２種類の信号（現サブフレームの重み付
け信号と過去の重み付け信号）の相関値を計算する回路
である。この場合の相関値は数３か数４のいずれかを用
いる。
【００３５】候補決定器１５０は、算出された相関値の
大きい順に、予め決められた候補数だけ整数遅延の候補
を選択する．影響信号減算器１６０は、重み付けされた
合成フィルタの初期状態を１サブフレーム前の重み付け
合成信号の最後の状態とし、零励振することにより計算
された影響信号を重み付けされた信号より減算する。
【００３６】探索範囲限定器１７０は、候補決定器１５
０で選択された各整数遅延候補に対してその±数サンプ
ルの整数遅延の区間を設定する。
【００３７】適応コードブック探索器１８０は、前記区
間に対して、過去の音源のポリフェーズフィルタリング
により、誤差電力を最小化する最適な小数遅延の決定を
行う。
【００３８】重み付けフィルタ１９０は、分析により得
られたＬＰＣ係数を周知の聴感重み付けしたフィルタ係
数による合成を行う。
【００３９】音源コードブック探索器２００は、音源コ
ードブックの探索を行う。この場合、音源コードブック
は文献１等に示す雑音コードブックでもよいし、ＬＢＧ
法等のＶＱアルゴリズムにより学習された学習コードブ
ックでも何でも構わない。学習コードブックを用いる方
法については、例えば特願平２−４２９５５号明細書
（文献４）や、特願平２−４２９５６号明細書（文献
５）等を参照できる。
【００４０】逆フィルタ１２５は、ＬＰＣ分析により得
られた合成フィルタの逆フィルタであり、残差信号を算
出する装置である。
【００４１】バッファ装置１３５は、相関値の計算に必
要な信号、たとえば重み付け信号等を蓄えておくバッフ
ァ装置である。２２０はマルチプレクサである。
【００４２】まず、図１の実施例の動作を説明する。
【００４３】音声入力ポート１００から音声信号を入力
しバッファ装置１１０で音声信号を記憶しておく。記憶
された信号をＬＰＣ分析器２１０でＬＰＣ分析し、スペ
クトルパラメータであるＬＰＣ係数を算出する。算出さ
れたＬＰＣ係数はＬＰＣ係数量子化器２１５で量子化さ
れマルチプレクサ２２０に送られるとともに、再度ＬＰ
Ｃ係数に復号化され以下の処理に用いられる。記憶され
た音声信号をサブフレーム分割器１２０で分割し、各サ
ブフレーム毎の信号に対して、以下の処理を行う。ま
ず、重み付けフィルタ１３０で音声信号に聴感重み付け
を施し、相関算出器１４０で重み付け信号と過去のサブ
フレームの重み付け信号の相関値として数３の値か数４
の値を計算する。候補決定器１５０で数３か数４の値の
大きい整数遅延を予め決められた候補数だけ選択する
（オープンループによる整数遅延候補の選択）。相関の
計算が修了したら次のサブフレームのために当サブフレ
ームの重み付け信号をバッファ装置１３５に記憶する。
影響信号減算器１６０では影響信号を算出し、重み付け
信号から差し引く。探索範囲限定器１７０では候補決定
器１５０で選択された各整数遅延候補の±数サンプルに
適応コードブックの探索範囲の限定を行い、各探索範囲
に対して適応コードブック探索器１８０でポリフェーズ
フィルタリングされた過去の音源を用いて、小数遅延の
選択を行う。その結果得られる、誤差電力を最小にする
小数遅延を最適な適応コードブックの遅延とし、最適小
数遅延とそれに対応するゲインをマルチプレクサに送
る。重み付けフィルタ１９０で最適な適応コードブック
の遅延による音源を用いて重み付け合成フィルタによる
合成をゲイン項を含めて行い、重み付け信号から合成信
号を減算する。音源コードブック探索器２００で減算さ
れた信号に対して、音源コードブックの探索を行う。探
索されたコードブックのインデックスとそれに対応する
ゲインをマルチプレクサに送る。マルチプレクサ２２０
はＬＰＣ係数量子化器２１５，適応コードブック探索回
路１８０，音源コードブック探索器２００の出力符号系
列を組み合わせて出力する。これらの処理を各サブフレ
ーム毎に行う。
【００４４】次に、図２の実施例の動作を説明する。
【００４５】第２の発明は、相関値に用いる信号のみ第
１の発明と違いがあるので、その点のみの説明を行う。
第２の発明では逆フィルタ１２５で予測残差信号を計算
し、相関算出器１４０で予測残差信号と過去の音源信号
すなわち適応コードブックの信号と音源コードブックの
和からなる信号の相関値を計算する。したがってバッフ
ァ装置１３５にはサブフレームで求められた音源信号が
蓄えられる。
【００４６】次に、図３の実施例の動作を説明する．第
３の発明は、相関値に用いる信号のみ第１の発明と違い
があるので、その点のみの説明を行う。
【００４７】第３の発明では、逆フィルタ１２５で現サ
ブフレームの予測残差信号を計算し、相関算出器１４０
で現サブフレームの予測残差信号と過去の予測残差信号
との相関値を計算する。したがって、バッファ装置１３
５にはサブフレームで求められた残差信号が蓄えられ
る。
【００４８】第４の発明では、第１から第３のいずれか
の発明の方法で整数遅延の候補を求め、さらに、各候補
に対して、各候補の前後数サンプルに対してポリフェー
ズフィルタリングにより小数遅延を求める。このとき小
数遅延を一意には決定せず、複数種類の小数遅延候補を
出力する。小数遅延の各候補に対して、最適な音源コー
ドブックを探索し、小数遅延され、選択された音源コー
ドブックを用いて信号を再生する。入力音声と前記再生
信号との誤差電力を各小数遅延に対して求め、誤差電力
を最小化する小数遅延と音源コードブックの組合せを出
力する。
【００４９】以上で本発明による実施例の説明を終え
る。
【００５０】本実施例の構成以外にも種々の変形が可能
である。上記実施例では、適応コードブック，音源コー
ドブックをサブフレーム毎に一意に決定したが、サブフ
レームでは一意に決定せずに、誤差電力の小さい順に複
数種類の候補を求め、これをフレームで累積し、フレー
ム全体で累積誤差電力を求め、フレーム全体の累積誤差
電力を最小化する適応コードブック，音源コードブック
の組合せを選択するようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、最
初に整数遅延の候補をオープンループで求め、各候補の
前後数サンプルの範囲でクローズループで小数遅延を求
めることにより、前記文献３等の従来方式に比べ数分の
１という少ない演算量で良好な音質が得られるという大
きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の実施例を示す構成図である。
【図２】第２の発明の実施例を示す構成図である。
【図３】第３の発明の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１００ 音声入力ポート １１０ バッファ装置 １２０ サブフレーム分割器 １２５ 逆フィルタ １３０ 重み付けフィルタ １３５ バッファ装置 １４０ 相関算出器 １５０ 整数遅延候補決定器 １６０ 影響信号減算器 １７０ 探索範囲限定器 １８０ 適応コードブック探索器 １９０ 重み付けフィルタ ２００ 音源コードブック探索器 ２１０ ＬＰＣ分析器 ２１５ ＬＰＣ係数量子化器 ２２０ マルチプレクサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−264100（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−223799（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−293800（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−98099（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G10L 19/00 - 19/14 H03M 7/30 H04B 14/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】音声信号をサブフレームに分割する手段
    と、前記分割された 音声信号を分析する手段と、前記分析された結果を用いて 音声信号に対して聴覚上の
    重み付けを加え重み付け信号を計算する手段と、 現サブフレームの重み付け信号と過去の重み付け信号と
    の相関を計算する手段と、 前記相関値を用いて予め定められた誤差尺度を計算し前
    記誤差尺度を小さくする或いは前記相関値を大きくする
    順に整数遅延の候補を予め定められた個数だけ求める手
    段と、 前記整数遅延の候補に対し過去の音源を用いて予め定め
    られた誤差尺度を最小化或いは前記相関値を最大化する
    ような小数遅延を決定する手段と、前記分析された結果を用いて 音源コードブックから最適
    音源を抽出する手段とを有することを特徴とする音声符
    号化方式。
  2. 【請求項２】音声信号をサブフレームに分割する手段
    と、前記分割された 音声信号を分析する手段と、前記分析された結果を用いて 音声信号に対して聴覚上の
    重み付けを加え重み付け信号を計算する手段と、前記 音声信号から予測残差信号を算出する手段と、 前記予測残差信号と過去の音源との相関を算出する手段
    と、 前記相関値を用いて予め定められた誤差尺度を計算し前
    記誤差尺度を小さくする或いは前記相関値を大きくする
    順に整数遅延の候補を予め定められた個数だけ選択する
    手段と、 前記整数遅延の候補に対し過去の音源を用いて予め定め
    られた誤差尺度を最小化或いは前記相関値を最大化する
    ような小数遅延を決定する手段と、前記分析された結果を用いて 音源コードブックから最適
    音源を抽出する手段とを有することを特徴とする音声符
    号化方式。
  3. 【請求項３】音声信号をサブフレームに分割する手段
    と、前記分割された 音声信号を分析する手段と、前記分析された結果を用いて 音声信号に対して聴覚上の
    重み付けを加え重み付け信号を計算する手段と、前記 音声信号により予測残差信号を算出する手段と、 現サブフレームの予測残差信号と過去の予測残差信号と
    の相関を算出する手段と、 前記相関値を用いて予め定められた誤差尺度を計算し前
    記誤差尺度を小さくする或いは前記相関値を大きくする
    順に整数遅延の候補を予め定められた個数だけ選択する
    手段と、 前記整数遅延の候補に対し過去の音源を用いて予め定め
    られた誤差尺度を最小化或いは前記相関値を最大化する
    ような小数遅延を決定する手段と、前記分析された結果を用いて 音源コードブックから最適
    音源を抽出する手段とを有することを特徴とする音声符
    号化方式。
  4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の音声符号
    化方式において、 複数種類の整数遅延の各候補に対して小数遅延を過去の
    音源により決定し、各小数遅延に対して音源コードブッ
    クから最適音源を抽出して信号を再生し音声信号と前記
    再生信号との誤差電力を最小化する小数遅延と音源コー
    ドブックを選択する手段を有することを特徴とする音声
    符号化方式。
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