JP5565914B2 - 符号化装置、復号装置およびこれらの方法 - Google Patents

Description

本発明は、信号を符号化して伝送する通信システムに用いられる符号化装置、復号装置およびこれらの方法に関する。

インターネット通信に代表されるパケット通信システムや、移動通信システムなどで音声・楽音信号を伝送する場合、音声・楽音信号の伝送効率を高めるため、圧縮・符号化技術がよく使われる。また、近年では、単に低ビットレートで音声・楽音信号を符号化するという一方で、より広帯域の音声・楽音信号を符号化する技術に対するニーズが高まっている。

このようなニーズに対して、符号化後の情報量を大幅に増加させることなく広帯域の音声・楽音信号を符号化する様々な技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、一定時間分の入力音響信号を変換して得られるスペクトルデータのうち、周波数の高域部の特徴を補助情報として生成し、これを低域部の符号化情報とあわせて出力する技術が開示されている。

特開２００３−２５５９７３号公報 国際公開第２００７／０５２０８８号

しかしながら、上記特許文献１に開示された帯域拡張技術においては、入力信号の低域部と、補助情報を用いて生成される高域部とが予め固定的に決定されている。したがって、例えば入力信号の高域部のスペクトルデータが微小である場合や、反対に高域部のスペクトルデータが非常に高いエネルギを持っている場合や、高域部のスペクトルデータが複雑な形状であった場合などに対しても、同一の符号化方法が用いられることになるため、符号化効率が高くならないという問題点がある。特に低ビットレートで補助情報を符号化する場合には、算出した補助情報を用いて生成される復号音声の品質が不十分であり、場合によっては異音が発生する可能性もある。

本発明の目的は、広帯域信号（７ｋＨｚ帯域）あるいは超広帯域信号（１４ｋＨｚ帯域）等の信号に対して、低域部のスペクトルデータに基づいて高域部のスペクトルデータを効率的に符号化し、復号信号の品質を改善することができる符号化装置、復号装置およびこれらの方法を提供することである。

本発明に係る符号化装置の一つの態様は、低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置であって、周波数領域の入力信号を入力して、前記入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて、前記帯域拡張により設定される高域側の第１帯域を決定する帯域設定情報を生成する帯域設定手段と、前記帯域設定情報に基づいて決定される前記第１帯域の前記入力信号を符号化して高域部符号化情報を生成する高域符号化手段と、を具備する構成を採る。

本発明に係る復号装置の一つの態様は、周波数領域の入力信号の低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置において生成された符号化情報を受信して復号する復号装置であって、前記周波数領域の高域側である第１帯域の入力信号を符号化して生成された高域部符号化情報と、前記周波数領域の低域側の第２帯域の前記入力信号を符号化して生成された低域部符号化情報と、前記周波数領域の入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて設定された前記第１帯域の帯域設定情報と、を含む符号化情報を受信する受信手段と、前記低域部符号化情報を用いて、前記第２帯域に対する低域復号信号を生成する低域復号手段と、前記高域部符号化情報および前記帯域設定情報を用いて、前記第１帯域に対する高域復号信号を生成し、前記低域復号信号と前記高域復号信号とを用いて前記周波数領域の復号信号を生成する高域復号手段と、を具備する構成を採る。

本発明に係る符号化方法の一つの態様は、低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化方法であって、周波数領域の入力信号を入力して前記入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較し、比較結果に基づいて、前記帯域拡張により設定される高域側の第１帯域を決定する帯域設定情報を生成する帯域設定ステップと、前記帯域設定情報に基づいて決定される前記第１帯域の前記入力信号を符号化して高域部符号化情報を生成する高域符号化ステップと、を具備するようにした。

本発明に係る復号方法の一つの態様は、周波数領域の入力信号の低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置において生成された符号化情報を受信して復号する復号方法であって、前記周波数領域の高域側である第１帯域の入力信号を符号化して生成された高域部符号化情報と、前記周波数領域の低域側の第２帯域の前記入力信号を符号化して生成された低域部符号化情報と、前記周波数領域の入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて設定された前記第１帯域の帯域設定情報と、を含む符号化情報を受信する受信ステップと、前記低域部符号化情報を用いて、前記第２帯域に対する低域復号信号を生成する低域復号ステップと、前記高域部符号化情報および前記帯域設定情報を用いて、前記第１帯域に対する高域復号信号を生成し、前記低域復号信号と前記高域復号信号とを用いて前記周波数領域の復号信号を生成する高域復号ステップと、を具備するようにした。

本発明によれば、広帯域信号あるいは超広帯域信号などの高域部のスペクトルデータを効率的に符号化することができ、復号信号の品質を改善することができる。

本発明の実施の形態１に係る符号化装置および復号装置を有する通信システムの構成を示すブロック図 図１に示した符号化装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図２に示した符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図３に示した低域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図３に示した高域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図５に示したフィルタリング部におけるフィルタリング処理の詳細について説明するための図 図５に示した探索部においてサブバンドＳＢ_ｐに対して最適ピッチ係数Ｔ_ｐ’を探索する処理の手順を示すフロー図 図１に示した復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図８に示した復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図９に示した低域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図９に示した高域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る符号化装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１２に示した第２レイヤ符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１３に示した低域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１３に示した高域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１６に示した第２レイヤ復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図１７に示した高域復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る符号化装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図１９に示した第２レイヤ符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図２０に示した高域符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図２２に示した第２レイヤ復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４に係る符号化装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図２４に示した第２レイヤ符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図２５に示した帯域拡張符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 図２５に示した残差スペクトル符号化部の内部の主要な構成を示すブロック図 各レイヤにおいて符号化／復号されるスペクトルの帯域と情報量（符号化ビットレート）との対応関係を概念的に示す図 本発明の実施の形態４に係る復号装置の内部の主要な構成を示すブロック図 図２９に示した第２レイヤ復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図３０に示した残差スペクトル復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 図３０に示した帯域拡張復号部の内部の主要な構成を示すブロック図 各レイヤにおいて符号化／復号されるスペクトルの帯域と情報量（符号化ビットレート）との別の対応関係を概念的に示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明に係る符号化装置および復号装置として、音声符号化装置および音声復号装置を例にとって説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る符号化装置および復号装置を有する通信システムの構成を示すブロック図である。図１において、通信システムは、符号化装置１０１と復号装置１０３とを備え、それぞれ伝送路１０２を介して通信可能な状態となっている。なお、符号化装置１０１および復号装置１０３はいずれも、通常、基地局装置あるいは通信端末装置等に搭載されて用いられる。

符号化装置１０１は、入力信号をＮサンプルずつ区切り（Ｎは自然数）、Ｎサンプルを１フレームとしてフレーム毎に符号化を行う。ここで、符号化の対象となる入力信号をｘ_ｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）と表すこととする。ｎは、Ｎサンプルずつ区切られた入力信号のうち、信号要素のｎ＋１番目を示す。符号化装置１０１は、符号化された入力情報（以下「符号化情報」という）を、伝送路１０２を介して復号装置１０３に送信する。

復号装置１０３は、伝送路１０２を介して符号化装置１０１から送信された符号化情報を受信し、これを復号し出力信号を得る。

図２は、図１に示した符号化装置１０１の内部の主要な構成を示すブロック図である。符号化装置１０１は、直交変換処理部２０１および符号化部２０２から主に構成される。

直交変換処理部２０１は、バッファｂｕｆ１_ｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）を内部に有し、入力信号ｘ_ｎを修正離散コサイン変換（ＭＤＣＴ：Modified Discrete Cosine Transform）する。

次に、直交変換処理部２０１における直交変換処理について、その計算手順と内部バッファへのデータ出力に関して説明する。

まず、直交変換処理部２０１は、下記の式（１）によりバッファｂｕｆ１_ｎを、「０」を初期値として初期化する。

次いで、直交変換処理部２０１は、下記の式（２）に従って、入力信号ｘ_ｎに対し修正離散コサイン変換（ＭＤＣＴ）を行い、入力信号のＭＤＣＴ係数（以下、入力スペクトルと呼ぶ）Ｘ（ｋ）を求める。

ここで、ｋは１フレームにおける各サンプルのインデックスを示す。直交変換処理部２０１は、入力信号ｘ_ｎとバッファｂｕｆ１_ｎとを結合させたベクトルであるｘ_ｎ’を下記の式（３）により求める。

次に、直交変換処理部２０１は、式（４）によりバッファｂｕｆ１_ｎを更新する。

そして、直交変換処理部２０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）を符号化部２０２に出力する。

符号化部２０２には、直交変換処理部２０１から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。符号化部２０２は、入力スペクトルＸ（ｋ）を符号化し、符号化情報を生成する。次に符号化部２０２は、生成した符号化情報を、伝送路１０２を介して復号装置１０３に送信する。

図３は、図２に示した符号化部２０２の内部の主要な構成を示すブロック図である。図３を用いて、符号化部２０２における処理の詳細を説明する。符号化部２０２は、帯域設定部３０１、低域符号化部３０２、高域符号化部（帯域拡張部）３０３、および多重化部３０４から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

帯域設定部３０１には、直交変換処理部２０１から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。帯域設定部３０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のスペクトル特性を分析し、分析結果に応じて、低域符号化部３０２および高域符号化部（帯域拡張部）３０３においてそれぞれ符号化対象となる帯域を設定する。次に、帯域設定部３０１は、設定した帯域を示す帯域設定情報を、低域符号化部３０２、高域符号化部３０３、および多重化部３０４に出力する。

次に、帯域設定部３０１における、帯域設定情報の算出方法について説明する。

帯域設定部３０１は、まず入力スペクトルＸ（ｋ）に対して、帯域がＴＨ_Ｌｏｗ以下である部分のエネルギ（低域エネルギ）Ｅ_Ｌｏｗを式（５−１）に従って算出し、帯域がＴＨ_Ｈｉｇｈ以上である部分のエネルギ（高域エネルギ）Ｅ_Ｈｉｇｈを式（５−２）に従って算出する。ここで、ＴＨ_ＬｏｗおよびＴＨ_Ｈｉｇｈは予め定められた閾値であり、ＴＨ_Ｌｏｗ＜ＴＨ_Ｈｉｇｈという関係にあるものとする。また、式（５−２）においてＦ_ｍａｘは最大帯域値（最大の周波数値）である。

次に、帯域設定部３０１は、式（５−１）により算出された低域エネルギＥ_Ｌｏｗの大きさと、式（５−２）により算出された高域エネルギＥ_Ｈｉｇｈの大きさとを比較し、以下の式（６）に従って、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを決定する。すなわち、帯域設定部３０１は、入力スペクトルのエネルギ特性に基づいて、入力スペクトルの帯域を分割して低域側の帯域（低域部）及び高域側の帯域（高域部）を設定する帯域設定情報を生成する。ここで、式（６）中のγは、予め定められた定数である。

つまり、帯域設定部３０１は、高域エネルギＥ_Ｈｉｇｈに対し低域エネルギＥ_Ｌｏｗがある程度大きい場合には、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値を０とし、そうでない場合には帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値を１とする。帯域設定部３０１は、決定した帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを低域符号化部３０２、高域符号化部３０３、および多重化部３０４に出力する。

低域符号化部３０２には、直交変換処理部２０１から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、低域符号化部３０２には、帯域設定部３０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。低域符号化部３０２は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、入力スペクトルＸ（ｋ）を符号化し、低域部符号化情報を生成する。次に、低域符号化部３０２は、低域部符号化情報を多重化部３０４に出力する。低域符号化部３０２における処理の詳細は後述する。

高域符号化部３０３には、直交変換処理部２０１から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、高域符号化部３０３には、帯域設定部３０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。高域符号化部３０３は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、入力スペクトルＸ（ｋ）を符号化し、高域部符号化情報（帯域拡張情報）を生成する。次に、高域符号化部３０３は、高域部符号化情報を多重化部３０４に出力する。高域符号化部３０３における処理の詳細は後述する。

多重化部３０４は、帯域設定部３０１、低域符号化部３０２、および高域符号化部３０３からそれぞれ入力される帯域設定情報、低域部符号化情報、および高域部符号化情報を多重化し、符号化情報として伝送路１０２に出力する。

図４は、低域符号化部３０２の内部構成を示すブロック図である。低域符号化部３０２は、符号化対象スペクトル算出部４０１、形状符号化部４０２、利得符号化部４０３、および多重化部４０４から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

符号化対象スペクトル算出部４０１には、帯域設定部３０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。また、符号化対象スペクトル算出部４０１には、直交変換処理部２０１から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。符号化対象スペクトル算出部４０１は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値に基づき、符号化対象とする帯域を決定し、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、該当する帯域のスペクトルのみを形状符号化部４０２に出力する。

具体的には、符号化対象スペクトル算出部４０１は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合には、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ１以下（ｋ≦Ｍａｘ１）のスペクトルを符号化対象スペクトルＸ’（ｋ）として形状符号化部４０２に出力する。また、符号化対象スペクトル算出部４０１は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が１である場合には、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ２以下（ｋ≦Ｍａｘ２）のスペクトルを符号化対象スペクトルＸ’（ｋ）として形状符号化部４０２に出力する。

ここで、Ｍａｘ１、およびＭａｘ２は、Ｍａｘ１＜Ｍａｘ２という関係にあるものとする。つまり、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合には、符号化対象スペクトル算出部４０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）の中でもより低域側のスペクトルを符号化対象スペクトルＸ’（ｋ）として選択する。一方、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が１である場合には、符号化対象スペクトル算出部４０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）の中でも、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合に比べて帯域幅が大きい部分のスペクトルを、符号化対象スペクトルＸ’（ｋ）として選択する。

形状符号化部４０２は、符号化対象スペクトル算出部４０１から入力される符号化対象スペクトルＸ’（ｋ）に対して、サブバンド毎に形状量子化を行う。具体的には、まず形状符号化部４０２は、符号化対象スペクトルＸ’（ｋ）をＬ個のサブバンドに分割する。次に、形状符号化部４０２は、Ｌ個の各サブバンドに対して、ＳＱ個の形状コードベクトルからなる内蔵の形状コードブックを探索して、下記の式（７）の評価尺度Ｓｈａｐｅ＿ｑ（ｉ）が最大となる形状コードベクトルのインデックスを求める。

この式において、ＳＣ^ｉ _ｋは、形状コードブックを構成する形状コードベクトルを示し、ｉは、形状コードベクトルのインデックスを示し、ｋは、形状コードベクトルの要素のインデックスを示す。また、ＢＷ（ｊ）は、バンドインデックスがｊであるバンドのバンド幅を表し、ＢＳ（ｊ）は、バンドインデックスがｊであるバンドを構成するスペクトルの最小インデックスを表す。

形状符号化部４０２は、上記の式（７）の評価尺度Ｓｈａｐｅ＿ｑ（ｉ）が最大となる形状コードベクトルのインデックスＳ＿ｍａｘを形状符号化情報として多重化部４０４に出力する。また、形状符号化部４０２は、下記の式（８）に従い、理想利得Ｇａｉｎ＿ｉ（ｊ）を算出して利得符号化部４０３に出力する。

利得符号化部４０３は、下記の式（９）に従い、形状符号化部４０２から入力される理想利得Ｇａｉｎ＿ｉ（ｊ）を、直接量子化する。ここでも、利得符号化部４０３は、理想利得をＬ次元ベクトルとして扱い、ＧＱ個の利得コードベクトルからなる内蔵の利得コードブックを探索して、ベクトル量子化を行う。

利得符号化部４０３は、上記の式（９）の二乗誤差Ｇａｉｎ＿ｑ（ｉ）を最小にする利得コードベクトルのインデックスＧ＿ｍｉｎを求める。利得符号化部４０３は、Ｇ＿ｍｉｎを利得符号化情報として多重化部４０４に出力する。

多重化部４０４は、形状符号化部４０２から入力される形状符号化情報Ｓ＿ｍａｘ、および利得符号化部４０３から入力される利得符号化情報Ｇ＿ｍｉｎを多重化し、低域部符号化情報として多重化部３０４に出力する。なお、形状符号化情報および利得符号化情報を直接、多重化部３０４に入力して、多重化部３０４にて高域部符号化情報と多重化しても良い。

以上が、低域符号化部３０２の構成についての説明である。

図５は、高域符号化部３０３の内部構成を示すブロック図である。高域符号化部３０３は、帯域分割部５０１、フィルタ状態設定部５０２、フィルタリング部５０３、探索部５０５、ピッチ係数設定部５０４、利得符号化部５０６、および多重化部５０７を備え、各部は以下の動作を行う。

帯域分割部５０１には、直交変換処理部２０１から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、帯域分割部５０１には、帯域設定部３０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。帯域分割部５０１は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値に応じて、入力スペクトルＸ（ｋ）の高域部をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。次に、帯域分割部５０１は、各サブバンドのバンド幅ＢＷ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）および先頭インデックスＢＳ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）を帯域分割情報としてフィルタリング部５０３、探索部５０５、および多重化部５０７に出力する。

具体的には、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合には、帯域分割部５０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ１以上（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。また、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が１である場合には、帯域分割部５０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ２以上（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。ここで、Ｆｍａｘは最大帯域の値とする。また、以下、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、サブバンドＳＢ_ｐにおける部分をサブバンドスペクトルＸ_ｐ（ｋ）（ＢＳ_ｐ≦ｋ＜ＢＳ_ｐ＋ＢＷ_ｐ）と記す。

フィルタ状態設定部５０２は、直交変換処理部２０１から入力される入力スペクトルＸ（ｋ）を、フィルタリング部５０３で用いるフィルタ状態として設定する。フィルタリング部５０３における全周波数帯域０≦ｋ＜ＦｍａｘのスペクトルＳ（ｋ）の（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２）の帯域におけるフィルタの内部状態（フィルタ状態）として、入力スペクトルＸ（ｋ）が格納される。フィルタ状態設定部５０２は、設定したフィルタ状態をフィルタリング部５０３に出力する。

フィルタリング部５０３は、マルチタップ（タップ数が１より多い）のピッチフィルタを備える。フィルタリング部５０３は、フィルタ状態設定部５０２により設定されたフィルタ状態と、ピッチ係数設定部５０４から入力されるピッチ係数Ｔとに基づいて、入力スペクトルＸ（ｋ）をフィルタリングして入力スペクトルの推定値Ｓ’（ｋ）（ＦＬ≦ｋ＜ＦＨ）（以下、推定スペクトルと称す）を算出する。フィルタリング部５０３は、推定スペクトルＳ’（ｋ）を探索部５０５に出力する。なお、フィルタリング部５０３におけるフィルタリング処理の詳細については後述する。

探索部５０５は、直交変換処理部２０１から入力される入力スペクトルＸ（ｋ）と、フィルタリング部５０３から入力される推定スペクトルＳ’（ｋ）とのそれぞれに対して、帯域分割部５０１で分割された高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））の類似度を算出する。この類似度の算出は、例えば相関演算等により行われる。

なお、フィルタリング部５０３、探索部５０５、およびピッチ係数設定部５０４の処理は閉ループを構成する。この閉ループにおいて、探索部５０５は、ピッチ係数設定部５０４からフィルタリング部５０３に入力されるピッチ係数Ｔを種々に変化させることにより、各ピッチ係数に対応する類似度を算出する。そして、探索部５０５は、算出した類似度のうち、類似度が最大となるピッチ係数を最適ピッチ係数Ｔ’として多重化部５０７に出力する。また、探索部５０５は、推定スペクトルＳ’（ｋ）を利得符号化部５０６に出力する。

ピッチ係数設定部５０４は、探索部５０５の制御の下、ピッチ係数Ｔを探索範囲（Ｔｍｉｎ≦Ｔ＜Ｔｍａｘ）の中で少しずつ変化させながら、変化後のピッチ係数Ｔをフィルタリング部５０３に順次出力する。

利得符号化部５０６は、直交変換処理部２０１から入力される入力スペクトルＸ（ｋ）に対して、帯域分割部５０１で分割された高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））のゲイン情報を算出する。具体的には、利得符号化部５０６は、高域部の周波数帯域（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））をＪ個のサブバンドに分割し、入力スペクトルＸ（ｋ）のサブバンド毎のスペクトルパワを求める。この場合、第ｊサブバンドのスペクトルパワＢ（ｊ）は下記の式（１０）で表される。

式（１０）において、ＢＬ_ｊは第ｊサブバンドの最小周波数、ＢＨ_ｊは第ｊサブバンドの最大周波数を表す。また、利得符号化部５０６は、同様に、探索部５０５から入力される推定スペクトルＳ’（ｋ）のサブバンド毎のスペクトルパワＢ’（ｊ）を下記の式（１１）に従い算出する。

次いで、利得符号化部５０６は、入力スペクトルＸ（ｋ）に対する推定スペクトルのサブバンド毎の変動量Ｖ（ｊ）を式（１２）に従い算出する。

そして、利得符号化部５０６は、内蔵する利得符号化用のコードブックを用いて、変動量Ｖ（ｊ）を符号化し、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）に対応するインデックスを多重化部５０７に出力する。

多重化部５０７は、探索部５０５から入力される最適ピッチ係数Ｔ’と、利得符号化部５０６から入力される変動量Ｖ（ｊ）のインデックスと、を高域部符号化情報として多重化し、多重化部３０４に出力する。なお、最適ピッチ係数Ｔ’および変動量Ｖ（ｊ）のインデックスを直接、多重化部３０４に入力して、多重化部３０４にて低域部符号化情報と多重化しても良い。

次いで、フィルタリング部５０３におけるフィルタリング処理の詳細について、図６を用いて説明する。

フィルタリング部５０３は、帯域分割部５０１によって分割された帯域に応じて、ピッチ係数設定部５０４から入力されるピッチ係数Ｔを用いて、（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ）の帯域のスペクトルＳ（ｋ）を生成する。フィルタリング部５０３の伝達関数Ｆ（ｚ）は下記の式（１３）で表される。

式（１３）において、Ｔはピッチ係数設定部５０４から与えられるピッチ係数を表し、β_ｉは予め内部に記憶されているフィルタ係数を表している。また、式（１３）において、Ｍはタップ数に関する指標であり、例えば、タップ数が３の場合、Ｍ＝１とする。タップ数が３の場合、フィルタ係数の候補として（β_−１、β_０、β_１）＝（０．１、０．８、０．１）が一例として挙げられる。この他に（β_−１、β_０、β_１）＝（０．２、０．６、０．２）、（０．３、０．４、０．３）などの値も適当である。

まず、フィルタリング部５０３における全周波数帯域のスペクトルＳ（ｋ）の（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２）の帯域には、入力スペクトルＸ（ｋ）がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。

さらに、スペクトルＳ（ｋ）の高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））には、以下の手順のフィルタリング処理により、推定スペクトルＳ’（ｋ）が格納される。なお、推定スペクトルＳ’（ｋ）には、基本的に、このｋよりＴだけ低い周波数のスペクトルＳ（ｋ−Ｔ）が代入される。ただし、スペクトルの円滑性を増すために、実際には、スペクトルＳ（ｋ−Ｔ）からｉだけ離れた近傍のスペクトルＳ（ｋ−Ｔ＋ｉ）に所定のフィルタ係数β_ｉを乗じたスペクトルβ_ｉ・Ｓ（ｋ−Ｔ＋ｉ）を、全てのｉについて加算して得られたスペクトルがＳ’（ｋ）に代入される。この処理は下記の式（１４）で表される。

フィルタリング部５０３は、上記演算を、周波数の低いｋ＝Ｍａｘ１あるいはｋ＝Ｍａｘ２から順に、ｋを帯域Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘあるいは帯域Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘの範囲で変化させて行うことにより、高域部の周波数帯域（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））における推定スペクトルＳ’（ｋ）を算出する。

以上のフィルタリング処理は、ピッチ係数設定部５０４からピッチ係数Ｔが与えられる度に、高域部の周波数帯域（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））の範囲において、その都度、スペクトルＳ（ｋ）をゼロクリアして行われる。すなわち、ピッチ係数Ｔが変化する度にスペクトルＳ（ｋ）は算出され、探索部５０５に出力される。

図７は、図５に示した探索部５０５においてサブバンドＳＢ_ｐに対して最適ピッチ係数Ｔ_ｐ’を探索する処理の手順を示すフロー図である。なお、探索部５０５は、図７に示した手順を繰り返すことにより、各サブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に対応する最適ピッチ係数Ｔ_ｐ’（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）を探索する。

まず、探索部５０５は、類似度の最小値を保存するための変数である最小類似度Ｄ_ｍｉｎを「＋∞」に初期化する（ＳＴ２０１０）。次いで、探索部５０５は、下記の式（１５）に従い、あるピッチ係数における入力スペクトルＸ（ｋ）の高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））と、推定スペクトルＳ’（ｋ）との類似度Ｄを算出する（ＳＴ２０２０）。

式（１５）において、Ｍ’は、類似度Ｄを算出する際のサンプル数を示し、各サブバンドのバンド幅以下の任意の値で良い。

次いで、探索部５０５は算出した類似度Ｄが最小類似度Ｄ_ｍｉｎより小さいか否かを判定する（ＳＴ２０３０）。ＳＴ２０２０において算出された類似度Ｄが最小類似度Ｄ_ｍｉｎより小さい場合（ＳＴ２０３０：「ＹＥＳ」）には、探索部５０５は、類似度Ｄを最小類似度Ｄ_ｍｉｎに代入する（ＳＴ２０４０）。一方、ＳＴ２０２０において算出された類似度Ｄが最小類似度Ｄ_ｍｉｎ以上である場合（ＳＴ２０３０：「ＮＯ」）には、探索部５０５は、探索範囲が終了した否かを判定する（ＳＴ２０５０）。すなわち、探索部５０５は、探索範囲内のすべてのピッチ係数それぞれに対し、ＳＴ２０２０において上記の式（１５）に従って類似度Ｄを算出したか否かを判定する。探索範囲が終了しなかった場合（ＳＴ２０５０：「ＮＯ」）には、探索部５０５は処理を再びＳＴ２０２０に戻す。そして、探索部５０５は、前回ＳＴ２０２０の手順において式（１５）に従って類似度Ｄを算出した場合とは異なるピッチ係数に対して、式（１５）に従い類似度Ｄを算出する。一方、探索範囲が終了した場合（ＳＴ２０５０：「ＹＥＳ」）には、探索部５０５は、最小類似度Ｄ_ｍｉｎに対応するピッチ係数Ｔを最適ピッチ係数Ｔ_ｐ’として多重化部５０７に出力する（ＳＴ２０６０）。

以上が、高域符号化部３０３の処理の説明である。

以上が、符号化装置１０１の構成についての説明である。

次いで、図１に示した復号装置１０３について説明する。

図８は、復号装置１０３の内部の主要な構成を示すブロック図である。復号装置１０３は、復号部８０１、および直交変換処理部８０２から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

復号部８０１には、伝送路１０２を介して符号化装置１０１から伝送される符号化情報が入力される。復号部８０１は、入力された符号化情報を復号し、復号して得られるスペクトルデータ（復号スペクトル）を直交変換処理部８０２に出力する。復号部８０１の処理の詳細は後述する。

直交変換処理部８０２には、復号部８０１からスペクトルデータ（復号スペクトル）が入力される。直交変換処理部８０２は、スペクトルデータ（復号スペクトル）に対して直交変換を施し、時間領域の信号に変換する。直交変換処理部８０２は、得られた信号を出力信号として出力する。直交変換処理部８０２の処理の詳細は後述する。

図９は、図８に示した復号部８０１の内部構成を示すブロック図である。復号部８０１は、分離部９０１、低域復号部９０２、および高域復号部（帯域拡張部）９０３から主に構成される。

分離部９０１には、伝送路１０２を介して符号化装置１０１から伝送される符号化情報が入力される。分離部９０１は、符号化情報を低域部符号化情報、高域部符号化情報、および帯域設定情報に分離する。そして、分離部９０１は、低域部符号化情報を低域復号部９０２に出力し、高域部符号化情報（帯域拡張情報）を高域復号部９０３に出力し、帯域設定情報を低域復号部９０２および高域復号部９０３に出力する。

低域復号部９０２には、分離部９０１から低域部符号化情報および帯域設定情報が入力される。低域復号部９０２は、入力された低域部符号化情報および帯域設定情報から低域部復号スペクトルを生成し、生成した低域部復号スペクトルを高域復号部９０３に出力する。低域復号部９０２の処理の詳細は後述する。

高域復号部９０３には、分離部９０１から高域部符号化情報および帯域設定情報が入力される。また高域復号部９０３には、低域復号部９０２から、低域部復号スペクトルが入力される。高域復号部９０３は、入力された低域部復号スペクトル、高域部符号化情報および帯域設定情報から復号スペクトルを生成し、生成した復号スペクトルを直交変換処理部８０２に出力する。高域復号部９０３の処理の詳細は後述する。

図１０は、低域復号部９０２の内部構成を示すブロック図である。低域復号部９０２は、分離部９１１、形状復号部９１２、および利得復号部９１３から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

分離部９１１は、分離部９０１から入力される低域部符号化情報を形状符号化情報Ｓ＿ｍａｘ、および利得符号化情報Ｇ＿ｍｉｎに分離し、分離後の形状符号化情報Ｓ＿ｍａｘを形状復号部９１２に出力し、利得符号化情報Ｇ＿ｍｉｎを利得復号部９１３に出力する。なお、分離部９０１において、直接、形状符号化情報および利得符号化情報が符号化情報から分離されるようにしても良い。

形状復号部９１２は、低域符号化部３０２の形状符号化部４０２が備える形状コードブックと同様な形状コードブックを内蔵し、分離部９１１から入力される形状符号化情報Ｓ＿ｍａｘをインデックスとする形状コードベクトルを探索する。形状復号部９１２は、探索した形状コードベクトルを、分離部９０１から入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが示す符号化対象帯域スペクトルの形状の値として利得復号部９１３に出力する。ここでは、形状の値として探索された形状コードベクトルをＳｈａｐｅ＿ｑ’（ｋ）と記す。

利得復号部９１３は、低域符号化部３０２の利得符号化部４０３が備える利得コードブックと同様な利得コードブックを内蔵し、この利得コードブックを用いて、下記の式（１６）に従い利得符号化情報から利得の値を逆量子化する。ここでも、利得値をＬ次元ベクトルとして扱い、ベクトル逆量子化を行う。すなわち、利得符号化情報Ｇ＿ｍｉｎに対応する利得コードベクトルＧＣ_ｊ ^{Ｇ＿ｍｉｎ}をそのまま利得値Ｇａｉｎ＿ｑ’（ｊ）とする。

次いで、利得復号部９１３は、逆量子化で得られる利得値、および形状復号部９１２から入力される形状の値を用いて、下記の式（１７）に従い、低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）を算出し、算出した低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）を高域復号部９０３に出力する。なお、スペクトル（ＭＤＣＴ係数）の逆量子化において、ｋがＢ（ｊ”）〜Ｂ（ｊ”＋１）−１内に存在する場合、利得値Ｇａｉｎ＿ｑ’（ｊ）はＧａｉｎ＿ｑ’（ｊ”）の値をとる。

図１１は、高域復号部９０３の内部構成を示すブロック図である。高域復号部９０３は、分離部９２１、フィルタ状態設定部９２２、フィルタリング部９２３、利得復号部９２４、およびスペクトル調整部９２５から主に構成され、各部は以下の動作を行う。

分離部９２１は、分離部９０１から入力される高域部符号化情報を、フィルタリングに関する情報である最適ピッチ係数Ｔ’と、ゲインに関する情報である符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスと、に分離する。次に、分離部９２１は、最適ピッチ係数Ｔ’をフィルタリング部９２３に出力し、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスを利得復号部９２４に出力する。なお、分離部９０１において、最適ピッチ係数Ｔ’、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスに分離済みの場合は、分離部９２１を配置しなくても良い。

フィルタ状態設定部９２２は、分離部９０１から入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、低域復号部９０２から入力される低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）を、フィルタリング部９２３で用いるフィルタ状態として設定する。ここで、フィルタリング部９２３における全周波数帯域０≦ｋ＜Ｆｍａｘのスペクトルを便宜的にＳ（ｋ）と呼ぶ場合、スペクトルＳ（ｋ）のうち、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが示す低域部（（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２））の帯域に、低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。ここで、フィルタ状態設定部９２２の構成および動作は、図５に示したフィルタ状態設定部５０２と同様であるため、詳細な説明を省略する。

フィルタリング部９２３は、マルチタップ（タップ数が１より多い）のピッチフィルタを備える。フィルタリング部９２３は、フィルタ状態設定部９２２により設定されたフィルタ状態と、分離部９２１から入力されるピッチ係数Ｔ’と、予め内部に格納しているフィルタ係数と、分離部９０１から入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇとに基づき、低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）をフィルタリングする。そして、フィルタリング部９２３は、以下の式（１８）に示すように、入力スペクトルＳ（ｋ）の推定スペクトルＳ’（ｋ）を算出する。

フィルタリング部９２３でも、上記の式（１３）に示した伝達関数が用いられる。フィルタリング部９２３は、フィルタリングし得られた推定スペクトルＳ’（ｋ）を、スペクトル調整部９２５に出力する。

利得復号部９２４は、分離部９０１から入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、分離部９２１から入力される符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスを復号し、変動量Ｖ（ｊ）の量子化値である符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）を求める。ここで、利得復号部９２４は、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスの復号に用いる利得コードブックは、利得復号部９２４に内蔵されたものであり、図５に示した利得符号化部５０６で使用した利得コードブックと同様のものである。利得復号部９２４は、復号して得られた符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）をスペクトル調整部９２５に出力する。

スペクトル調整部９２５は、下記の式（１９）に従い、分離部９０１から入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇで指定される高域部に対して、フィルタリング部９２３から入力される推定スペクトルＳ’（ｋ）に、利得復号部９２４から入力されるサブバンド毎の符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）を乗じる。これにより、スペクトル調整部９２５は、推定スペクトルＳ’（ｋ）の高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））におけるスペクトル形状を調整し、復号スペクトルＳ２（ｋ）を生成して直交変換処理部８０２に出力する。

なお、式（１９）において、ｊは利得を符号化時のサブバンドインデックスを示し、スペクトルのインデックスｋに応じて設定されるものとする。つまり、サブバンドインデックスがｊ”であるサブバンドに含まれるスペクトルインデックスｋに対しては、推定スペクトルＳ’（ｋ）にＶ_ｑ（ｊ”）が乗じられるものとする。

ここで、復号スペクトルＳ２（ｋ）の低域部（（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２））は第１レイヤ復号スペクトルＳ１（ｋ）からなり、復号スペクトルＳ２（ｋ）の高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ））はスペクトル形状調整後の推定スペクトルＳ’（ｋ）からなる。

以下、直交変換処理部８０２における具体的な処理について説明する。

直交変換処理部８０２は、バッファｂｕｆ２（ｋ）を内部に有しており、下記の式（２０）に示すようにバッファｂｕｆ２（ｋ）を初期化する。

また、直交変換処理部８０２は、スペクトル調整部９２５から入力される復号スペクトルＳ２（ｋ）を用いて下記の式（２１）に従い、復号信号ｙ_ｎを求めて出力する。

式（２１）において、Ｚ（ｋ）は、下記の式（２２）に示すように、復号スペクトルＳ２（ｋ）とバッファｂｕｆ２（ｋ）とを結合させたベクトルである。

次に、直交変換処理部８０２は、下記の式（２３）に従いバッファｂｕｆ２（ｋ）を更新する。

次に、直交変換処理部８０２は、復号信号ｙ_ｎを出力信号として出力する。

以上が、復号装置１０３の内部構成の説明である。

このように、本実施の形態によれば、符号化装置／復号装置は、低域部のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域部のスペクトルを生成／推定する符号化／復号方式において、入力信号の特性に応じて、帯域の設定、つまり低域部と高域部がそれぞれどの帯域か、を適応的に決定する。これにより、広帯域信号あるいは超広帯域信号などの高域部のスペクトルデータを効率的に符号化することができ、復号信号の品質を改善することができる。

具体的には、帯域設定部３０１は、入力信号のスペクトルデータの低域部のエネルギと高域部分のエネルギとを比較し、低域部のエネルギが高域部のエネルギに比べて非常に大きい場合には、低域部をより狭く、高域部をより広く設定する。これにより、入力信号がスピーチである場合に、復号信号の品質に大きく影響を与える低域部のスペクトルデータを、形状利得符号化方式により、集中的に符号化でき、復号信号の品質を高めることができる。一方、帯域設定部３０１は、低域部のエネルギが高域部のエネルギに比べてそれほど大きくはない場合には、低域部をより広く、高域部をより狭く設定する。これにより、より高域部分まで形状利得符号化方式で符号化歪を小さくすることができ、入力信号がオーディオである場合に復号信号の品質に大きな影響を与える帯域感を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、高域符号化部３０３内の帯域分割部５０１および利得符号化部５０６において、それぞれ異なるサブバンド構成に分割する構成について説明したが、本発明はこれに限らず、同じサブバンド構成に分割する構成についても、同様に適用できる。

なお、本実施の形態では、高域符号化部３０３内の帯域分割部５０１において、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値にかかわらず、高域部分のスペクトルをＰ個に分割する構成について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値に応じて異なる個数にサブバンドを分割する構成についても同様に適用できる。例えば、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが０の場合は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが１の場合に比べて、高域部分のスペクトルの帯域幅が広くなるため、この場合には、Ｐ個よりも大きい数に分割する。これにより、サブバンド幅が大きくなりすぎることによる符号化性能の劣化を防ぐことができる。

また、本実施の形態では、高域符号化部３０３において、入力スペクトルの低域部をフィルタ状態として設定し、入力スペクトルの高域部分と類似するスペクトルの位置の探索を行う構成について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、低域符号化部から出力される低域部符号化情報を復号して得られる低域部復号スペクトルに対して、入力スペクトルの高域部分と類似するスペクトルの位置の探索を行う構成についても同様に適用できる。上記構成を採る場合には、復号装置側でも得られる低域部復号スペクトルを利用しているため、復号装置側での動作を保証することができる。

また、上記構成を採る場合は、符号化部２０２内に、低域部復号スペクトルを算出するためのローカルデコードを行う低域部復号部を新たに備え、低域復号部から高域符号化部３０３に低域部復号スペクトルを出力する必要がある。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、スペクトルデータの低域部を符号化する第１レイヤ符号化部を新たに備え、入力信号のスペクトルデータと第１レイヤ符号化部による符号化結果との差分データに対して、実施の形態１で説明した符号化方法を適用する構成について説明する。なお、以下では、実施の形態１で説明した符号化方法を適用する符号化レイヤを第２レイヤ符号化部として説明する。

実施の形態２に係る通信システム（図示せず）は、図１に示した通信システムと基本的に同様であり、符号化装置、復号装置の構成および動作の一部のみにおいて、図１の通信システムの符号化装置１０１、復号装置１０３と相違する。以下、本実施の形態に係る通信システムの符号化装置および復号装置についてそれぞれ符号「１１１」および「１１３」を付し、説明を行う。

図１２は、本実施の形態に係る符号化装置１１１の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係る符号化装置１１１は、ダウンサンプリング処理部１００１、第１レイヤ符号化部１００２、第１レイヤ復号部１００３、アップサンプリング処理部１００４、直交変換処理部１００５、第２レイヤ符号化部１００６および符号化情報統合部１００７から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

入力信号ｘ_ｎのサンプリング周波数をＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}とすると、ダウンサンプリング処理部１００１は、入力信号のサンプリング周波数をＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}からＳＲ_ｂａｓｅまでダウンサンプリングし（ＳＲ_ｂａｓｅ＜ＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}）、ダウンサンプリングした入力信号をダウンサンプリング後入力信号として、第１レイヤ符号化部１００２に出力する。

第１レイヤ符号化部１００２は、ダウンサンプリング処理部１００１から入力されるダウンサンプリング後入力信号に対して、例えばＣＥＬＰ（Code Excited Linear Prediction）方式の音声符号化方法を用いて符号化を行って第１レイヤ符号化情報を生成する。次に、第１レイヤ符号化部１００２は、生成した第１レイヤ符号化情報を第１レイヤ復号部１００３および符号化情報統合部１００７に出力する。

第１レイヤ復号部１００３は、第１レイヤ符号化部１００２から入力される第１レイヤ符号化情報に対して、例えばＣＥＬＰ方式の音声復号方法を用いて復号を行って第１レイヤ復号信号を生成する。次に、第１レイヤ復号部１００３は、生成した第１レイヤ復号信号をアップサンプリング処理部１００４に出力する。

アップサンプリング処理部１００４は、第１レイヤ復号部１００３から入力される第１レイヤ復号信号のサンプリング周波数をＳＲ_ｂａｓｅからＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}までアップサンプリングする。次に、アップサンプリング処理部１００４は、アップサンプリングした第１レイヤ復号信号をアップサンプリング後第１レイヤ復号信号ｃ１_ｎとして、直交変換処理部１００５に出力する。

直交変換処理部１００５は、バッファｂｕｆ１_ｎおよびｂｕｆ２_ｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）を内部に有する。直交変換処理部１００５は、入力信号ｘ_ｎおよびアップサンプリング処理部１００４から入力されるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号ｃ１_ｎを修正離散コサイン変換（ＭＤＣＴ：Modified Discrete Cosine Transform）する。直交変換処理部１００５は、入力信号ｘ_ｎ、およびアップサンプリング後第１レイヤ復号信号ｃ１_ｎを直交変換処理して、それぞれ入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を算出する。直交変換処理部１００５の処理は、実施の形態１で説明した処理と同様であるため、ここでは説明を省略する。直交変換処理部１００５は、得られた入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を第２レイヤ符号化部１００６に出力する。

第２レイヤ符号化部１００６は、直交変換処理部１００５から入力される入力スペクトルＸ（ｋ）および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を用いて第２レイヤ符号化情報を生成し、生成した第２レイヤ符号化情報を符号化情報統合部１００７に出力する。なお、第２レイヤ符号化部１００６の詳細については後述する。

符号化情報統合部１００７は、第１レイヤ符号化部１００２から入力される第１レイヤ符号化情報と、第２レイヤ符号化部１００６から入力される第２レイヤ符号化情報とを統合する。次に、符号化情報統合部１００７は、統合した情報源符号に対し、必要であれば伝送誤り符号などを付加した上でこれを符号化情報として伝送路１０２に出力する。

次に、図１２に示した第２レイヤ符号化部１００６の内部の主要な構成について図１３を用いて説明する。

第２レイヤ符号化部１００６は、帯域設定部１１０１、低域符号化部１１０２、高域符号化部（帯域拡張部）１１０３、および多重化部１１０４から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

帯域設定部１１０１には、直交変換処理部１００５から入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）が入力される。帯域設定部１１０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）のスペクトル特性を分析し、分析結果に応じて、低域符号化部１１０２および高域符号化部（帯域拡張部）１１０３においてそれぞれ符号化対象となる帯域を設定する。次に、帯域設定部１１０１には、これを帯域設定情報として、低域符号化部１１０２、高域符号化部１１０３、および多重化部１１０４に出力する。

次に、帯域設定部１１０１における、帯域設定情報の算出方法について説明する。

帯域設定部１１０１は、まず式（２４）により、入力スペクトルＸ（ｋ）と第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）との差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）を算出する。また、式（２４）においてＦｍａｘは最大帯域値（最大の周波数値）である。

次に、帯域設定部１１０１は、差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）に対して、帯域がＴＨ_Ｌｏｗ以下である部分のエネルギ（低域エネルギ）Ｅ_Ｌｏｗを式（２５−１）に従って算出し、帯域がＴＨ_Ｈｉｇｈ以上である部分のエネルギ（高域エネルギ）Ｅ_Ｈｉｇｈを式（２５−２）に従って算出する。ここで、ＴＨ_ＬｏｗおよびＴＨ_Ｈｉｇｈは予め定められた閾値であり、ＴＨ_Ｌｏｗ＜ＴＨ_Ｈｉｇｈという関係にあるものとする。

次に、帯域設定部１１０１は、式（２５）により算出された低域エネルギＥ_Ｌｏｗの大きさと高域エネルギＥ_Ｈｉｇｈの大きさとを比較し、式（２６）に従って、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを決定する。ここで、式（２６）中のγは、予め定められた定数である。

つまり、帯域設定部１１０１は、高域エネルギＥ_Ｈｉｇｈに対し低域エネルギＥ_Ｌｏｗがある程度大きい場合には、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値を０とし、そうでない場合には帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値を１とする。帯域設定部１１０１は、決定した帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを低域符号化部１１０２、高域符号化部１１０３、および多重化部１１０４に出力する。

低域符号化部１１０２には、直交変換処理部１００５から入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）が入力される。また、低域符号化部１１０２には、帯域設定部１１０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。低域符号化部１１０２は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、入力スペクトルＸ（ｋ）と第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）との差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）を符号化し、低域部符号化情報を生成する。次に、低域符号化部１１０２は、低域部符号化情報を多重化部１１０４に出力する。低域符号化部１１０２における処理の詳細は後述する。

高域符号化部１１０３には、直交変換処理部１００５からから入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）が入力される。また、高域符号化部１１０３には、帯域設定部１１０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。高域符号化部１１０３は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、入力スペクトルＸ（ｋ）を符号化し、高域部符号化情報（帯域拡張情報）を生成する。次に、高域符号化部１１０３は、高域部符号化情報を多重化部１１０４に出力する。高域符号化部１１０３における処理の詳細は後述する。

多重化部１１０４は、帯域設定部１１０１、低域符号化部１１０２、および高域符号化部１１０３からそれぞれ入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇ、低域部符号化情報、および高域部符号化情報を多重化して第２レイヤ符号化情報を生成する。次に、多重化部１１０４は、得られた第２レイヤ符号化情報を符号化情報統合部１００７に出力する。なお、帯域設定情報、低域部符号化情報、および高域部符号化情報を、直接、符号化情報統合部１００７に入力して、符号化情報統合部１００７にて多重化しても良い。

図１４は、低域符号化部１１０２の内部構成を示すブロック図である。低域符号化部１１０２は、差分スペクトル算出部１２０１、形状符号化部１２０２、利得符号化部１２０３、および多重化部１２０４から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

差分スペクトル算出部１２０１は、式（２４）により、入力スペクトルＸ（ｋ）と第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）との差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）を算出し、算出した差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）を形状符号化部１２０２に出力する。

形状符号化部１２０２には、差分スペクトル算出部１２０１から差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）が入力される。形状符号化部１２０２は、差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）の形状情報を符号化し、これを形状符号化情報として多重化部１２０４に出力する。また、形状符号化部１２０２は、形状情報の符号化時に理想利得を算出し、算出した理想利得を利得符号化部１２０３に出力する。形状符号化部１２０２における処理は、図４に示した形状符号化部４０２と同様であるため、ここでは説明を省略する。

利得符号化部１２０３には、形状符号化部１２０２から理想利得が入力される。利得符号化部１２０３は、理想利得を符号化し、これを利得符号化情報として多重化部１２０４に出力する。利得符号化部１２０３における処理は、図４に示した利得符号化部４０３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図１５は、高域符号化部１１０３の内部構成を示すブロック図である。高域符号化部１１０３は、帯域分割部１３０１、フィルタ状態設定部１３０２、フィルタリング部１３０３、探索部１３０５、ピッチ係数設定部１３０４、利得符号化部１３０６、および多重化部１３０７を備え、各部は以下の動作を行う。なお、上記構成要素のうち、フィルタ状態設定部１３０２以外の構成要素については、図５に示した同一名の構成要素の処理と同様であるためここでは説明を省略する。

フィルタ状態設定部１３０２は、直交変換処理部１００５から入力される第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を、フィルタリング部１３０３で用いるフィルタ状態として設定する。フィルタリング部１３０３における全周波数帯域０≦ｋ＜ＦｍａｘのスペクトルＳ（ｋ）の低域部（（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２））の帯域に、第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。

以上が、高域符号化部１１０３の処理の説明である。

以上が、符号化装置１１１の構成についての説明である。

次いで、本実施の形態における復号装置１１３について説明する。

図１６は、復号装置１１３の内部の主要な構成を示すブロック図である。復号装置１１３は、符号化情報分離部１４０１、第１レイヤ復号部１４０２、アップサンプリング処理部１４０３、直交変換処理部１４０４、第２レイヤ復号部１４０５、および直交変換処理部１４０６から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

符号化情報分離部１４０１は、伝送路１０２を介して符号化装置１１１から伝送される符号化情報が入力される。符号化情報分離部１４０１は、入力された符号化情報を、第１レイヤ符号化情報と第２レイヤ符号化情報とに分離し、第１レイヤ符号化情報を第１レイヤ復号部１４０２に出力し、第２レイヤ符号化情報を第２レイヤ復号部１４０５に出力する。

第１レイヤ復号部１４０２は、符号化情報分離部１４０１から入力される第１レイヤ符号化情報を復号して第１レイヤ復号信号を生成し、生成した第１レイヤ復号信号をアップサンプリング処理部１４０３に出力する。ここで、第１レイヤ復号部１４０２の動作は、図１２に示した第１レイヤ復号部１００３と同様であるため、詳細な説明を省略する。

アップサンプリング処理部１４０３は、第１レイヤ復号部１４０２から入力される第１レイヤ復号信号のサンプリング周波数をＳＲ_ｂａｓｅからＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}までアップサンプリングし、得られるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号を直交変換処理部１４０４に出力する。

直交変換処理部１４０４は、アップサンプリング処理部１４０３から入力されるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号に対して直交変換処理（ＭＤＣＴ）を行う。次に、直交変換処理部１４０４は、得られるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号のＭＤＣＴ係数（以下、第１レイヤ復号スペクトルと呼ぶ）Ｃ（ｋ）を第２レイヤ復号部１４０５に出力する。ここで、直交変換処理部１４０４の動作は、図１２に示した直交変換処理部１００５のアップサンプリング後第１レイヤ復号信号に対する処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第２レイヤ復号部１４０５は、直交変換処理部１４０４から入力される第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）、および符号化情報分離部１４０１から入力される第２レイヤ符号化情報を用いて、高域成分を含む第２レイヤ復号スペクトルＳ２（ｋ）を生成する。次に、第２レイヤ復号部１４０５は、生成した第２レイヤ復号スペクトルＳ２（ｋ）を、直交変換処理部１４０６に出力する。第２レイヤ復号部１４０５における処理の詳細は後述する。

直交変換処理部１４０６は、第２レイヤ復号部１４０５から入力される第２レイヤ復号スペクトルＳ２（ｋ）に対して直交変換を施し、時間領域の信号に変換する。直交変換処理部１４０６は、得られた信号を出力信号として出力する。ここで、直交変換処理部１４０６の動作は、図８に示した直交変換処理部８０２の処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。

図１７は、図１６に示した第２レイヤ復号部１４０５の内部構成を示すブロック図である。第２レイヤ復号部１４０５は、分離部１５０１、低域復号部１５０２、高域復号部（帯域拡張部）１５０３、およびスペクトル合成部１５０４から主に構成される。

分離部１５０１には、符号化情報分離部１４０１から第２レイヤ符号化情報が入力される。分離部１５０１は、符号化情報を低域部符号化情報、高域部符号化情報、および帯域設定情報に分離する。分離部１５０１は、低域部符号化情報を低域復号部１５０２に出力し、高域部符号化情報（帯域拡張情報）を高域復号部１５０３に出力し、帯域設定情報を低域復号部１５０２および高域復号部１５０３に出力する。

低域復号部１５０２には、分離部１５０１から低域部符号化情報および帯域設定情報が入力される。低域復号部１５０２は、入力された低域部符号化情報および帯域設定情報とから、低域部復号スペクトルを生成し、生成した低域部復号スペクトルをスペクトル合成部１５０４に出力する。低域復号部１５０２における処理は、図１０に示した低域復号部９０２における処理と同様であるため、説明を省略する。

高域復号部１５０３には、分離部１５０１から高域部符号化情報および帯域設定情報が入力される。また高域復号部１５０３には、直交変換処理部１４０４から第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）が入力される。高域復号部１５０３は、入力された第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）、高域部符号化情報および帯域設定情報とから、高域部復号スペクトルを生成し、生成した高域部復号スペクトルをスペクトル合成部１５０４に出力する。

図１８は、高域復号部１５０３の内部構成を示すブロック図である。高域復号部１５０３は、分離部１６０１、フィルタ状態設定部１６０２、フィルタリング部１６０３、利得復号部１６０４、およびスペクトル調整部１６０５から主に構成され、各部は以下の動作を行う。ここで、上記構成要素のうち、フィルタ状態設定部１６０２以外の構成要素については、図１１に示した同一名の構成要素の処理と同様であるためここでは説明を省略する。

フィルタ状態設定部１６０２は、分離部１５０１から入力される帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、直交変換処理部１４０４から入力される第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を、フィルタリング部１６０３で用いるフィルタ状態として設定する。ここで、フィルタリング部１６０３における全周波数帯域０≦ｋ＜Ｆｍａｘのスペクトルを便宜的にＳ（ｋ）と呼ぶ。この場合、スペクトルＳ（ｋ）のうち、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが示す低域部（（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２））の帯域に、第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。ここで、フィルタ状態設定部１６０２の構成および動作は、図５に示したフィルタ状態設定部５０２と同様であるため、詳細な説明を省略する。

以上が、高域復号部１５０３の処理の説明である。

スペクトル合成部１５０４には、低域復号部１５０２から低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）が入力される。またスペクトル合成部１５０４には、高域復号部１５０３から高域部復号スペクトルＳ２（ｋ）が入力される。スペクトル合成部１５０４は、入力された低域部復号スペクトルＳ１（ｋ）および高域部復号スペクトルＳ２（ｋ）を、式（２７）により周波数軸上で加算し、加算スペクトルＳ_ａｄｄ（ｋ）を算出する。スペクトル合成部１５０４は、算出した加算スペクトルＳ_ａｄｄ（ｋ）を直交変換処理部１４０６に出力する。

以上が、復号装置１１３の内部構成の説明である。

このように、本実施の形態によれば、符号化装置／復号装置が、低域部のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域部のスペクトルを生成／推定する符号化／復号方式を用い、かつ、低域を符号化する符号化レイヤ（コアレイヤ）が存在する構成においても、入力信号の特性に応じて、帯域の設定、つまり低域部および高域部がそれぞれどの帯域か、を適応的に決定する。これにより、広帯域信号あるいは超広帯域信号などの高域部のスペクトルデータを効率的に符号化することができ、復号信号の品質を改善することができる。

具体的には、帯域設定部１１０１は、入力信号のスペクトルデータと、コアレイヤによって符号化されたスペクトルデータとの差分データの低域部のエネルギと高域部分のエネルギとを比較する。次に、帯域設定部１１０１は、低域部のエネルギが高域部のエネルギに比べて非常に大きい場合には、低域部をより狭く、高域部をより広く設定する。これにより、入力信号がスピーチである場合に復号信号の品質に大きく影響を与える低域部のスペクトルデータを、形状利得符号化方式により、集中的に符号化でき、復号信号の品質を高めることができる。また、低域部のエネルギが高域部のエネルギに比べてそれほど大きくはない場合には、低域部をより広く、高域部をより狭く設定する。これにより、より高域部分まで形状利得符号化方式で符号化歪を小さくすることができ、入力信号がオーディオである場合に復号信号の品質に大きな影響を与える帯域感を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、帯域設定部１１０１は入力スペクトルと第１レイヤ復号スペクトルとの差分スペクトルの低域部と高域部とのエネルギ比に基づいて帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを決定した。しかし、本発明はこれに限らず、実施の形態１と同様に、帯域設定部１１０１が入力スペクトルの低域部と高域部とのエネルギ比に基づいて帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを決定する構成に対しても同様に適用できる。

また、本実施の形態に係る復号装置内の高域復号部１５０３において、第１レイヤ復号スペクトルをフィルタ状態として設定する構成について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、第１レイヤ復号スペクトルおよび低域部復号スペクトルを周波数軸上で加算したスペクトルの低域部をフィルタ状態として設定する構成についても同様に適用できる。これにより、帯域拡張時に用いる低域部のスペクトルが入力スペクトルにより近似するため、帯域拡張時の低域部の精度が向上し、結果として復号信号の品質をさらに向上させることができる。なお、上記構成においては、高域復号部１５０３において、低域復号部１５０２から低域部復号スペクトルを高域復号部１５０３に出力する必要がある。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、符号化装置が、実施の形態２と同様にスペクトルデータの低域部を符号化する第１レイヤ符号化部を備え、入力信号のスペクトルデータと第１レイヤ符号化部による符号化結果との差分データに対して、実施の形態１で説明した符号化方法を適用する構成について説明する。なお、以下では、実施の形態１で説明した符号化方法を適用する符号化レイヤを第２レイヤ符号化部とする。但し、本実施の形態では、第２レイヤ符号化部において、第１レイヤ符号化部によって符号化される帯域以外の帯域について符号化する構成を説明する。つまり、実施の形態２の第２レイヤ符号化部において、高域符号化部（帯域拡張部）のみが存在する構成となる。

実施の形態３に係る通信システム（図示せず）は、図１に示した通信システムと基本的に同様であり、符号化装置、復号装置の構成および動作の一部のみにおいて、図１の通信システムの符号化装置１０１、復号装置１０３と相違する。以下、本実施の形態に係る通信システムの符号化装置および復号装置についてそれぞれ符号「１２１」および「１２３」を付し、説明を行う。

図１９は、本実施の形態に係る符号化装置１２１の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係る符号化装置１２１は、ダウンサンプリング処理部１００１、第１レイヤ符号化部１００２、第１レイヤ復号部１００３、アップサンプリング処理部１００４、直交変換処理部１００５、第２レイヤ符号化部１７０１および符号化情報統合部１００７から主に構成される。ここで、上記各構成要素のうち、第２レイヤ符号化部１７０１以外の構成要素については、実施の形態２で説明した符号化装置１１１内の構成要素と同一の処理をするため、同一の符号を付し、説明を省略する。

第２レイヤ符号化部１７０１は、直交変換処理部１００５から入力される入力スペクトルＸ（ｋ）および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を用いて第２レイヤ符号化情報を生成し、生成した第２レイヤ符号化情報を符号化情報統合部１００７に出力する。

次に、図１９に示した第２レイヤ符号化部１７０１の内部の主要な構成について図２０を用いて説明する。

第２レイヤ符号化部１７０１は、帯域設定部１８０１、高域符号化部（帯域拡張部）１８０２、および多重化部１８０３から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

帯域設定部１８０１には、直交変換処理部１００５から入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）が入力される。帯域設定部１８０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）のスペクトル特性を分析する。帯域設定部１８０１は、分析結果に応じて、高域符号化部（帯域拡張部）１８０２において符号化対象となる帯域を設定し、これを帯域設定情報として、高域符号化部１８０２、および多重化部１８０３に出力する。

次に、帯域設定部１８０１における、帯域設定情報の算出方法について説明する。

帯域設定部１８０１は、まず式（２８）により、入力スペクトルＸ（ｋ）と第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）の差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）を算出する。また、式（２８）においてＦｍａｘは最大帯域値（最大の周波数値）である。

次に、帯域設定部１８０１は、差分スペクトルＣ_ｓｕｂ（ｋ）に対して、帯域がＴＨ１_Ｌｏｗ〜ＴＨ１_Ｈｉｇｈである部分のエネルギ（第１帯域エネルギ）Ｅ_１とＴＨ２_Ｌｏｗ〜ＴＨ２_Ｈｉｇｈである部分のエネルギ（第２帯域エネルギ）Ｅ_２を式（２９−１）、（２９−２）に従って算出する。ここで、ＴＨ１_Ｌｏｗ、ＴＨ１_Ｈｉｇｈ、ＴＨ２_ＬｏｗおよびＴＨ２_Ｈｉｇｈは予め定められた閾値であり、ＴＨ１_Ｌｏｗ＜ＴＨ２_Ｌｏｗ、またＴＨ１_Ｈｉｇｈ＜ＴＨ２_Ｈｉｇｈという関係にあるものとする。つまり、第１帯域エネルギＥ_１は、第２帯域エネルギＥ_２に比べ、より低域側のエネルギとなる。

次に、帯域設定部１８０１は、式（２９−１）により算出された第１帯域エネルギＥ_１の大きさと式（２９−２）により算出された第２帯域エネルギＥ_２の大きさとを比較し、式（３０）に従って、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを決定する。ここで、式（３０）中のγ２は、予め定められた定数である。

つまり、帯域設定部１８０１は、第２帯域エネルギＥ_２に対する第１帯域エネルギＥ_１がある程度大きい場合には、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値を０とし、そうでない場合には帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値を１とする。帯域設定部１８０１は、決定した帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇを高域符号化部１８０２、および多重化部１８０３に出力する。

高域符号化部１８０２には、直交変換処理部１００５からから入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）が入力される。また、高域符号化部１８０２には、帯域設定部１８０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。高域符号化部１８０２は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇに基づいて、入力スペクトルＸ（ｋ）を符号化し、高域部符号化情報（帯域拡張情報）を生成する。次に、高域符号化部１８０２は、高域部符号化情報を多重化部１８０３に出力する。高域符号化部１８０２における処理の詳細は後述する。

多重化部１８０３は、帯域設定部１８０１、および高域符号化部１８０２からそれぞれ入力される帯域設定情報、および高域部符号化情報を多重化し、第２レイヤ符号化情報として符号化情報統合部１００７に出力する。なお、帯域設定情報および高域部符号化情報を、直接、符号化情報統合部１００７に入力して、符号化情報統合部１００７にて多重化しても良い。

図２１は、高域符号化部１８０２の内部構成を示すブロック図である。高域符号化部１８０２は、帯域分割部１３１１、フィルタ状態設定部１３０２、フィルタリング部１３０３、探索部１３０５、ピッチ係数設定部１３０４、利得符号化部１３０６、および多重化部１３０７を備え、各部は以下の動作を行う。なお、帯域分割部１３１１以外の各構成要素については、図１５に示した各構成要素と同一の処理をするため、同一の符号を付し、説明を省略する。

帯域分割部１３１１には、直交変換処理部１００５から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、帯域分割部１３１１には、帯域設定部１８０１から帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇが入力される。帯域分割部１３１１は、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値に応じて求められる入力スペクトルＸ（ｋ）の高域部をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。帯域分割部１３１１は、各サブバンドのバンド幅ＢＷ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）および先頭インデックスＢＳ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）を帯域分割情報としてフィルタリング部１３０３、探索部１３０５、および多重化部１３０７に出力する。

具体的には、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合には、帯域分割部１３１１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ３以下（Ｆｌｏｗ≦ｋ＜Ｍａｘ３）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。また、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が１である場合には、帯域分割部１３１１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ４以下（Ｆｌｏｗ≦ｋ＜Ｍａｘ４）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。ここで、Ｍａｘ３、およびＭａｘ４は予め定められた定数であり、Ｍａｘ３＜Ｍａｘ４の関係にあるものとする。また、Ｆｌｏｗはダウンサンプリング処理部１００１でダウンサンプリングされた信号のサンプリング周波数に対応する最大周波数帯域値とする。つまり、第１レイヤ復号スペクトルの採り得る最大の周波数インデックスである。また、以下、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、サブバンドＳＢ_ｐにおける部分をサブバンドスペクトルＸ_ｐ（ｋ）（ＢＳ_ｐ≦ｋ＜ＢＳ_ｐ＋ＢＷ_ｐ）と記す。

上記のような帯域分割方法による効果について説明する。帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇは、帯域がＴＨ１_Ｌｏｗ〜ＴＨ１_Ｈｉｇｈである部分のエネルギ（第１帯域エネルギ）Ｅ_１とＴＨ２_Ｌｏｗ〜ＴＨ２_Ｈｉｇｈである部分のエネルギ（第２帯域エネルギ）Ｅ_２とを比較し設定される。この帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合には、高域側に比べ、低域側のエネルギが大きいということを意味する。この場合、帯域分割部１３１１によって、高域符号化部１８０２で符号化する帯域を狭く設定し（Ｆｌｏｗ≦ｋ＜Ｍａｘ３）、エネルギが大きい低域寄りの帯域について重点的に符号化することによって、復号信号の品質を向上できるという効果がある。また、帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が１である場合には、低域側に比べ、高域側のエネルギが大きいということを意味する。この場合、帯域分割部１３１１によって、高域符号化部１８０２で符号化する帯域を広く、より高域寄りに設定し（Ｆｌｏｗ≦ｋ＜Ｍａｘ４）、エネルギの大きい高域側の帯域まで符号化することによって、復号信号の品質を向上できるという効果がある。

以上が、高域符号化部１８０２の処理の説明である。

以上が、符号化装置１２１の構成についての説明である。

次いで、本実施の形態における復号装置１２３について説明する。

図２２は、復号装置１２３の内部の主要な構成を示すブロック図である。復号装置１２３は、符号化情報分離部１４０１、第１レイヤ復号部１４０２、アップサンプリング処理部１４０３、直交変換処理部１４０４、第２レイヤ復号部１９０１、および直交変換処理部１４０６から主に構成される。ここで、上記の各構成要素のうち、第２レイヤ復号部１９０１以外の構成要素は、実施の形態２の復号装置１１３内の構成要素と同一の処理をするため、同一の符号を付し、説明を省略する。

第２レイヤ復号部１９０１は、直交変換処理部１４０４から入力される第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）、および符号化情報分離部１４０１から入力される第２レイヤ符号化情報を用いて、高域成分を含む第２レイヤ復号スペクトルＳ２（ｋ）を生成する。第２レイヤ復号部１９０１は、生成した第２レイヤ復号スペクトルＳ２（ｋ）を、直交変換処理部１４０６に出力する。

図２３は、図２２に示した第２レイヤ復号部１９０１の内部構成を示すブロック図である。第２レイヤ復号部１９０１は、分離部２００１および高域復号部（帯域拡張部）２００２から主に構成される。

分離部２００１には、符号化情報分離部１４０１から第２レイヤ符号化情報が入力される。分離部２００１は、符号化情報を高域部符号化情報、および帯域設定情報に分離し、それぞれ高域復号部２００２に出力する。

高域復号部２００２には、分離部２００１から高域部符号化情報および帯域設定情報が入力される。高域復号部２００２は、入力された高域部符号化情報および帯域設定情報とから、復号スペクトルを生成し、生成した復号スペクトルを直交変換処理部１４０６に出力する。

高域復号部２００２の処理は、図９に示した高域復号部９０３において、入力される情報が低域部復号スペクトルではなく、第１レイヤ復号スペクトルであるという点以外は、高域復号部９０３と同様の処理であるため、ここでは説明を省略する。

以上が、復号装置１２３の内部構成の説明である。

このように、本実施の形態によれば、符号化装置／復号装置が、低域部のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域部のスペクトルを生成／推定する符号化／復号方式を用い、かつ、低域を符号化する符号化レイヤ（コアレイヤ）が存在する構成においても、入力信号の特性に応じて、拡張する帯域の設定、つまりどの帯域までのスペクトルを帯域拡張により生成するか、を適応的に決定する。これにより、広帯域信号あるいは超広帯域信号などの高域部のスペクトルデータを効率的に符号化することができ、復号信号の品質を改善することができる。

具体的には、帯域設定部１８０１は、入力信号のスペクトルデータと、コアレイヤによって符号化されたスペクトルデータとの差分データの低域よりの部分のエネルギ（第１帯域エネルギ）と高域よりの部分のエネルギ（第２帯域エネルギ）とを比較する。次に、帯域設定部１８０１は、第１帯域エネルギが第２帯域エネルギに比べて非常に大きい場合には、帯域拡張によって生成する高域部をより狭く設定する。これにより、入力信号がスピーチである場合に復号信号の品質に大きく影響を与える中域部分のスペクトルデータを集中的に符号化でき、復号信号の品質を高めることができる。ここで、中域部とは、帯域を低域部と高域部とに分けた時、高域部分の中でも低域側の帯域を指すこととする。また、第１帯域エネルギが第２帯域エネルギに比べてそれほど大きくはない場合には、帯域拡張によって生成する高域部をより広く設定する。これにより、より高域部分まで帯域拡張することにより、入力信号がオーディオである場合に復号信号の品質に大きな影響を与える帯域感を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、帯域設定部１８０１が、高域符号化部１８０２で生成されるスペクトルの帯域の上限を調整する構成を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、帯域設定部１８０１が、高域符号化部１８０２で生成されるスペクトルの帯域の上限以外（例えば帯域の下限など）を調整する構成に対しても同様に適用できる。

以上のように、本発明によれば、符号化装置が、符号化対象となる信号の高域部のスペクトルデータを低域部のスペクトルデータに基づいて生成する際、入力信号の特性に応じて、帯域の設定、つまり低域部および高域部がそれぞれどの帯域か、を適応的に決定する。これにより、広帯域信号あるいは超広帯域信号などの高域部のスペクトルデータを効率的に符号化することができ、復号装置において復号信号の品質を改善することができる。

（実施の形態４）
特許文献１および特許文献２に開示されている帯域拡張方式は、実施の形態１、実施の形態２、および実施の形態３で説明したような入力信号の特性に依らず、帯域設定が固定である。ここで、入力信号の特性とは、低域スペクトルと高域スペクトルとのエネルギ比、あるいはトーナリティ（ｔｏｎａｌｉｔｙ：調波性）等である。また、同様に特許文献１および特許文献２に開示されている帯域拡張方式は、符号化時の状況に依らず、帯域設定が固定である。

そもそも帯域拡張技術とは、高域部のスペクトルデータを復号して得られる低域部のスペクトルデータを利用してわずかな情報量（ビット）で擬似的に符号化対象となる信号の高域部のスペクトルデータを生成する技術である。そのため、符号化ビットレートが非常に高い場合には、帯域拡張方式以外のスペクトル符号化方式を採った方が、復号信号の品質をより向上させることができる場合が多い。しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている帯域拡張方式は、符号化時の状況に依らず、常に固定された帯域設定を用いて帯域拡張するので、符号化効率が高くならないという問題点がある。

本発明の実施の形態４では、符号化時の状況に応じて、帯域拡張方式における帯域設定を適応的に切り替える構成について説明する。なお、以下では、符号化時の状況の一例として、符号化ビットレートを利用する場合を例に挙げて説明する。ここで、本実施の形態では、符号化装置が、符号化ビットレートとして、ＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の３種類のレートを採る場合を例に挙げて説明する。なお、各符号化ビットレートは、ＢＲ１＜ＢＲ２＜ＢＲ３という関係にあるものとする。

実施の形態４に係る通信システム（図示せず）は、図１に示した通信システムと基本的に同様であり、符号化装置、復号装置の構成および動作の一部のみにおいて、図１の通信システムの符号化装置１０１、復号装置１０３と相違する。以下、本実施の形態に係る通信システムの符号化装置および復号装置についてそれぞれ符号「１３１」および「１３３」を付し、説明を行う。

図２４は、本実施の形態に係る符号化装置１３１の内部の主要な構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係る符号化装置１３１は、ダウンサンプリング処理部２４０１、第１レイヤ符号化部２４０２、第１レイヤ復号部２４０３、アップサンプリング処理部２４０４、直交変換処理部２４０５、第２レイヤ符号化部２４０６および符号化情報統合部２４０７から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

入力信号ｘ_ｎのサンプリング周波数をＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}とすると、ダウンサンプリング処理部２４０１は、入力信号のサンプリング周波数をＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}からＳＲ_ｂａｓｅまでダウンサンプリングし（ＳＲ_ｂａｓｅ＜ＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}）、ダウンサンプリングした入力信号をダウンサンプリング後入力信号として、第１レイヤ符号化部２４０２に出力する。

第１レイヤ符号化部２４０２は、ダウンサンプリング処理部２４０１から入力されるダウンサンプリング後入力信号に対して、例えばＣＥＬＰ（Code Excited Linear Prediction）方式の音声符号化方法を用いて符号化を行って第１レイヤ符号化情報を生成する。次に、第１レイヤ符号化部２４０２は、生成した第１レイヤ符号化情報を第１レイヤ復号部２４０３および符号化情報統合部２４０７に出力する。

第１レイヤ復号部２４０３は、第１レイヤ符号化部２４０２から入力される第１レイヤ符号化情報に対して、例えばＣＥＬＰ方式の音声復号方法を用いて復号を行って第１レイヤ復号信号を生成する。次に、第１レイヤ復号部２４０３は、生成した第１レイヤ復号信号をアップサンプリング処理部２４０４に出力する。

アップサンプリング処理部２４０４は、第１レイヤ復号部２４０３から入力される第１レイヤ復号信号のサンプリング周波数をＳＲ_ｂａｓｅからＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}までアップサンプリングする。次に、アップサンプリング処理部２４０４は、アップサンプリングした第１レイヤ復号信号をアップサンプリング後第１レイヤ復号信号ｃ１_ｎとして、直交変換処理部２４０５に出力する。

直交変換処理部２４０５は、バッファｂｕｆ１_ｎおよびｂｕｆ２_ｎ（ｎ＝０、…、Ｎ−１）を内部に有する。直交変換処理部２４０５は、入力信号ｘ_ｎおよびアップサンプリング処理部２４０４から入力されるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号ｃ１_ｎを修正離散コサイン変換（ＭＤＣＴ：Modified Discrete Cosine Transform）する。直交変換処理部２４０５は、入力信号ｘ_ｎ、およびアップサンプリング後第１レイヤ復号信号ｃ１_ｎを直交変換処理して、それぞれ入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）を算出する。直交変換処理部２４０５の処理は、実施の形態１で説明した処理と同様であるため、ここでは説明を省略する。直交変換処理部２４０５は、得られた入力スペクトルＸ（ｋ）、および第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）を第２レイヤ符号化部２４０６に出力する。

第２レイヤ符号化部２４０６は、外部から符号化装置１３１に入力される符号化ビットレートの情報（以下「ビットレート情報」という）に基づき、直交変換処理部２４０５から入力される入力スペクトルＸ（ｋ）および第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）を用いて第２レイヤ符号化情報を生成し、生成した第２レイヤ符号化情報を符号化情報統合部２４０７に出力する。なお、第２レイヤ符号化部２４０６の詳細については後述する。ここで、本実施の形態では、符号化装置１３１が、符号化ビットレートとして、ＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の３種類のビットレートを採る場合を例に挙げて説明する。なお、各符号化ビットレートは、ＢＲ１＜ＢＲ２＜ＢＲ３という関係にあるものとする。

符号化情報統合部２４０７は、第１レイヤ符号化部２４０２から入力される第１レイヤ符号化情報と、第２レイヤ符号化部２４０６から入力される第２レイヤ符号化情報と、ビットレート情報とを統合する。次に、符号化情報統合部２４０７は、統合した情報源符号に対し、必要であれば伝送誤り符号などを付加した上でこれを符号化情報として伝送路１０２に出力する。

次に、図２４に示した第２レイヤ符号化部２４０６の内部の主要な構成について図２５を用いて説明する。

第２レイヤ符号化部２４０６は、帯域拡張符号化部２５０１、残差スペクトル符号化部２５０２、および多重化部２５０３から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

帯域拡張符号化部２５０１には、直交変換処理部２４０５から第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）および入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、帯域拡張符号化部２５０１には、外部からビットレート情報が入力される。また、帯域拡張符号化部２５０１には、残差スペクトル符号化部２５０２から復号残差スペクトルＤ１（ｋ）が入力される。帯域拡張符号化部２５０１は、入力された第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）、入力スペクトルＸ（ｋ）、ビットレート情報、および復号残差スペクトルＤ１（ｋ）から、帯域拡張符号化情報を算出し、これを多重化部２５０３に出力する。帯域拡張符号化部２５０１の処理の詳細については後述する。

残差スペクトル符号化部２５０２には、直交変換処理部２４０５から第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）および入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、残差スペクトル符号化部２５０２には、外部からビットレート情報が入力される。残差スペクトル符号化部２５０２は、入力された第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）、入力スペクトルＸ（ｋ）、およびビットレート情報から、残差スペクトル符号化情報を算出し、これを多重化部２５０３に出力する。また、残差スペクトル符号化部２５０２は、残差スペクトル符号化情報を復号して得られる復号残差スペクトルＤ１（ｋ）を帯域拡張符号化部２５０１に出力する。残差スペクトル符号化部２５０２の処理および残差スペクトル符号化情報の詳細については後述する。

多重化部２５０３は、帯域拡張符号化部２５０１、残差スペクトル符号化部２５０２からそれぞれ入力される帯域拡張符号化情報、残差スペクトル符号化情報を多重化して第２レイヤ符号化情報を生成する。次に、多重化部２５０３は、得られた第２レイヤ符号化情報を符号化情報統合部２４０７に出力する。なお、帯域拡張符号化情報、残差スペクトル符号化情報を、直接、符号化情報統合部２４０７に入力して、符号化情報統合部２４０７にて多重化しても良い。

図２６は、帯域拡張符号化部２５０１の内部構成を示すブロック図である。帯域拡張符号化部２５０１は、帯域分割部２６０１、加算スペクトル算出部２６０２、フィルタ状態設定部１３０２、フィルタリング部１３０３、探索部１３０５、ピッチ係数設定部１３０４、利得符号化部１３０６、および多重化部１３０７を備え、各部は以下の動作を行う。なお、上記構成要素のうち、帯域分割部２６０１および加算スペクトル算出部２６０２以外の構成要素については、図１５に示した同一名の構成要素の処理と同様であるためここでは説明を省略する。但し、フィルタ状態設定部１３０２のみ、入力されるスペクトルの名称および入力元の構成要素名のみ図１５の同一名の構成要素と処理が異なる。

帯域分割部２６０１には、直交変換処理部２４０５から入力スペクトルＸ（ｋ）が入力される。また、帯域分割部２６０１には、外部からビットレート情報が入力される。帯域分割部２６０１は、ビットレート情報に応じて、入力スペクトルＸ（ｋ）の高域部をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。

具体的には、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ１であることを示す場合には、帯域分割部２６０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ１以上（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ２であることを示す場合には、帯域分割部２６０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ２以上（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ３であることを示す場合には、帯域分割部２６０１は、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ３以上（Ｍａｘ３≦ｋ＜Ｆｍａｘ）の部分をＰ個のサブバンドＳＢ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）に分割する。

ここで、Ｆｍａｘは最大帯域の値とする。また、Ｍａｘ１、Ｍａｘ２、およびＭａｘ３は、Ｍａｘ１＜Ｍａｘ２＜Ｍａｘ３という関係にあるものとする。

つまり、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ１であることを示す場合には、帯域拡張符号化部２５０１にて帯域拡張符号化情報を算出する対象の入力スペクトルの高域部分を広く設定する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ３であることを示す場合には、帯域拡張符号化部２５０１にて帯域拡張符号化情報を算出する対象の入力スペクトルの高域部分を狭く設定する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ２であることを示す場合には、帯域拡張符号化情報を算出する対象の入力スペクトルの高域部分を、上記両者の中間をとるように設定する。

次に、帯域分割部２６０１は、各サブバンドのバンド幅ＢＷ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）および先頭インデックスＢＳ_ｐ（ｐ＝０，１，…，Ｐ−１）を帯域分割情報としてフィルタリング部１３０３、探索部１３０５、および多重化部１３０７に出力する。なお、以下、入力スペクトルＸ（ｋ）のうち、サブバンドＳＢ_ｐにおける部分をサブバンドスペクトルＸ_ｐ（ｋ）（ＢＳ_ｐ≦ｋ＜ＢＳ_ｐ＋ＢＷ_ｐ）と記す。

加算スペクトル算出部２６０２には、直交変換処理部２４０５から第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）が入力される。また、加算スペクトル算出部２６０２には、残差スペクトル符号化部２５０２から復号残差スペクトルＤ１（ｋ）が入力される。加算スペクトル算出部２６０２は、これら２つのスペクトルを、式（３１）のように周波数軸上で加算し、加算スペクトルＡ（ｋ）を算出する。次に、加算スペクトル算出部２６０２は、加算スペクトルＡ（ｋ）をフィルタ状態設定部１３０２に出力する。

以降、実施の形態２と同様に、フィルタ状態設定部１３０２、フィルタリング部１３０３、探索部１３０５、ピッチ係数設定部１３０４、利得符号化部１３０６、および多重化部１３０７により、帯域拡張符号化情報が生成され、帯域拡張符号化情報は、多重化部２５０３に出力される。

なお、実施の形態２では、フィルタ状態設定部１３０２は、直交変換処理部１００５から入力される第１レイヤ復号スペクトルＣ（ｋ）を、フィルタリング部１３０３で用いるフィルタ状態として設定した。これに対し、本実施の形態では、フィルタ状態設定部１３０２は、加算スペクトル算出部２６０２から入力される加算スペクトルＡ（ｋ）を、フィルタリング部１３０３で用いるフィルタ状態として設定する。そして、フィルタリング部１３０３における全周波数帯域０≦ｋ＜ＦｍａｘのスペクトルＳ（ｋ）の低域部（（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２））の帯域に、加算スペクトルＡ（ｋ）がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。

図２７は、残差スペクトル符号化部２５０２の内部構成を示すブロック図である。残差スペクトル符号化部２５０２は、符号化対象スペクトル算出部２７０１、形状符号化部２７０２、利得符号化部２７０３、および多重化部２７０４から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

符号化対象スペクトル算出部２７０１には、直交変換処理部２４０５から入力スペクトルＸ（ｋ）および第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）が入力される。また、符号化対象スペクトル算出部２７０１には、外部からビットレート情報が入力される。符号化対象スペクトル算出部２７０１は、まず、式（３２）に示すように、入力スペクトルＸ（ｋ）と第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）との差分スペクトルＢ（ｋ）を算出する。なお、以下では、差分スペクトルＢ（ｋ）のうち、サブバンドＳＢ_ｐにおける部分をサブバンドスペクトルＢ_ｐ（ｋ）（ＢＳ_ｐ≦ｋ＜ＢＳ_ｐ＋ＢＷ_ｐ）と記す。

次に、符号化対象スペクトル算出部２７０１は、ビットレート情報に応じて、式（３２）により得られた差分スペクトルＢ（ｋ）のうちの一部の帯域のスペクトルを符号化対象スペクトルとして設定する。

具体的には、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ１であることを示す場合には、符号化対象スペクトル算出部２７０１は、差分スペクトルＢ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ１以下（０≦ｋ≦Ｍａｘ１）の部分を符号化対象スペクトルＤ（ｋ）と設定する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ２であることを示す場合には、帯域分割部２６０１は、差分スペクトルＢ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ２以下（０≦ｋ≦Ｍａｘ２）の部分を符号化対象スペクトルＤ（ｋ）と設定する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ３であることを示す場合には、帯域分割部２６０１は、差分スペクトルＢ（ｋ）のうち、帯域がＭａｘ３以下（０≦ｋ≦Ｍａｘ３）の部分を符号化対象スペクトルＤ（ｋ）と設定する。

なお、上述したように、Ｍａｘ１、Ｍａｘ２、およびＭａｘ３は、Ｍａｘ１＜Ｍａｘ２＜Ｍａｘ３という関係にある。

つまり、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ１であることを示す場合には、符号化対象スペクトル算出部２７０１は、残差スペクトル符号化部２５０２にて符号化する対象のスペクトル（符号化対象スペクトル）Ｄ（ｋ）の帯域幅を狭く設定する。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ３であることを示す場合には、符号化対象スペクトル算出部２７０１は、符号化対象スペクトルの帯域幅を広く設定する。ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ２であることを示す場合は、符号化対象スペクトル算出部２７０１は、符号化対象スペクトルの帯域幅を、これら両者の中間をとるように設定する。

そして、符号化対象スペクトル算出部２７０１は、設定した符号化対象スペクトルＤ（ｋ）を、形状符号化部２７０２に出力する。

形状符号化部２７０２は、符号化対象スペクトル算出部２７０１から入力される符号化対象スペクトルＤ（ｋ）に対して、サブバンド毎に形状量子化を行う。具体的には、まず形状符号化部２７０２は、符号化対象スペクトルＤ（ｋ）をＬ個のサブバンドに分割する。次に、形状符号化部２７０２は、Ｌ個の各サブバンドに対して、ＳＱ個の形状コードベクトルからなる内蔵の形状コードブックを探索して、式（３３）の評価尺度Ｓｈａｐｅ＿ｑ（ｉ）が最大となる形状コードベクトルのインデックスを求める。

この式において、ＳＣ^ｉ _ｋは、形状コードブックを構成する形状コードベクトルを示し、ｉは、形状コードベクトルのインデックスを示し、ｋは、形状コードベクトルの要素のインデックスを示す。また、ＢＷ（ｊ）は、バンドインデックスがｊであるバンドのバンド幅を表し、ＢＳ（ｊ）は、バンドインデックスがｊであるバンドを構成するスペクトルの最小インデックスを表す。

形状符号化部２７０２は、上記の式（３３）の評価尺度Ｓｈａｐｅ＿ｑ（ｉ）が最大となる形状コードベクトルのインデックスＳ＿ｍａｘを形状符号化情報として多重化部２７０４に出力する。また、形状符号化部２７０２は、下記の式（３４）に従い、理想利得Ｇａｉｎ＿ｉ（ｊ）を算出して利得符号化部２７０３に出力する。

また、形状符号化部２７０２は、形状符号化情報を逆量子化（ローカルデコード）して得られる形状情報の復号値を利得符号化部２７０３に出力する。ここで、形状情報の復号値をＳｈａｐｅ＿ｑ’（ｋ）と表す。

利得符号化部２７０３は、式（９）に従い、形状符号化部２７０２から入力される理想利得Ｇａｉｎ＿ｉ（ｊ）を、直接量子化する。ここでも、利得符号化部２７０３は、理想利得をＬ次元ベクトルとして扱い、ＧＱ個の利得コードベクトルからなる内蔵の利得コードブックを探索して、ベクトル量子化を行う。

利得符号化部２７０３は、式（９）の二乗誤差Ｇａｉｎ＿ｑ（ｉ）を最小にする利得コードベクトルのインデックスＧ＿ｍｉｎを求める。利得符号化部２７０３は、Ｇ＿ｍｉｎを利得符号化情報として多重化部２７０４に出力する。

また、利得符号化部２７０３は、形状符号化部２７０２から入力される形状情報の復号値に対して、利得符号化情報を逆量子化（ローカルデコード）して得られる利得情報の復号値を適用し、式（３５）のようにして、残差スペクトルの復号値（以下、復号残差スペクトルＤ１（ｋ））を算出する。ここで、式（３５）において、Ｓｈａｐｅ＿ｑ’（ｋ）とは復号した形状値であり、Ｇａｉｎ＿ｑ’（ｋ）は復号した利得を示すものとする。

次に、利得符号化部２７０３は、復号残差スペクトルＤ１（ｋ）を帯域拡張符号化部２５０１に出力する。

多重化部２７０４は、形状符号化部２７０２、および利得符号化部２７０３からそれぞれ入力される形状符号化情報、および利得符号化情報を多重化し、残差スペクトル符号化情報として多重化部２５０３に出力する。

以上が、符号化装置１３１の構成についての説明である。

なお、上述した構成における符号化処理および後述する構成における復号処理の概念図を図２８に示す。図２８は、各レイヤの符号化部／復号部において符号化／復号されるスペクトルの帯域と情報量（符号化ビットレート）との対応関係を概念的に示している。

図２８において、部分「Ａ」は、第１レイヤ符号化部２４０２および第１レイヤ復号部２４０３で符号化／復号されるスペクトルの帯域を示している。また、部分「Ｂ」は、第２レイヤ符号化部２４０６および後述する第２レイヤ復号部２８０５で符号化／復号されるスペクトルの帯域のうち、残差スペクトル符号化部２５０２および後述する残差スペクトル復号部２９０２で符号化／復号されるスペクトルの帯域を示している。また、部分「Ｃ」は、第２レイヤ符号化部２４０６および第２レイヤ復号部２８０５で符号化／復号されるスペクトルの帯域のうち、帯域拡張符号化部２５０１および後述する帯域拡張復号部２９０３で符号化／復号されるスペクトルの帯域を示している。

ビットレート情報が、符号化ビットレートが低いビットレート（ＢＲ１）であることを示す場合には、帯域拡張符号化部２５０１および帯域拡張復号部２９０３が対応する部分「Ｃ」を広くし、残差スペクトル符号化部２５０２および残差スペクトル復号部２９０２が対応する部分「Ｂ」を狭くする（図２８の（ａ）参照）。これに対し、ビットレート情報が、符号化ビットレートが高いビットレート（ＢＲ３）であることを示す場合には、帯域拡張符号化部２５０１および帯域拡張復号部２９０３が対応する部分「Ｃ」を狭くし、残差スペクトル符号化部２５０２および残差スペクトル復号部２９０２が対応する部分「Ｂ」を広くする（図２８の（ｃ）参照）。また、ビットレート情報が、符号化ビットレートがＢＲ２であることを示す場合には、帯域拡張符号化部２５０１および帯域拡張復号部２９０３が対応する部分「Ｃ」を、符号化ビットレートがＢＲ１の場合と、ＢＲ３の場合とのほぼ中間をとるように設定する（図２８の（ｂ）参照）。

このように、本実施の形態では、ビットレート情報が示す符号化ビットレートに応じて、それぞれの符号化部／復号部で符号化／復号するスペクトルの帯域を適応的に設定する。これにより、符号化ビットレートが変化した場合においても、入力信号を効率的に符号化／復号することができる。

次いで、本実施の形態における復号装置１３３について説明する。

図２９は、復号装置１３３の内部の主要な構成を示すブロック図である。復号装置１３３は、符号化情報分離部２８０１、第１レイヤ復号部２８０２、アップサンプリング処理部２８０３、直交変換処理部２８０４、第２レイヤ復号部２８０５、および直交変換処理部２８０６から主に構成される。各部は以下の動作を行う。

符号化情報分離部２８０１は、伝送路１０２を介して符号化装置１３１から伝送される符号化情報が入力される。符号化情報分離部２８０１は、入力された符号化情報を、第１レイヤ符号化情報、第２レイヤ符号化情報、およびビットレート情報に分離し、第１レイヤ符号化情報を第１レイヤ復号部２８０２に出力し、第２レイヤ符号化情報およびビットレート情報を第２レイヤ復号部２８０５に出力する。

第１レイヤ復号部２８０２は、符号化情報分離部２８０１から入力される第１レイヤ符号化情報を復号して第１レイヤ復号信号を生成し、生成した第１レイヤ復号信号をアップサンプリング処理部２８０３に出力する。ここで、第１レイヤ復号部２８０２の動作は、図２４に示した第１レイヤ復号部２４０３と同様であるため、詳細な説明を省略する。

アップサンプリング処理部２８０３は、第１レイヤ復号部２８０２から入力される第１レイヤ復号信号のサンプリング周波数をＳＲ_ｂａｓｅからＳＲ_{ｉｎｐｕｔ}までアップサンプリングし、得られるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号を直交変換処理部２８０４に出力する。

直交変換処理部２８０４は、アップサンプリング処理部２８０３から入力されるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号に対して直交変換処理（ＭＤＣＴ）を行う。次に、直交変換処理部２８０４は、得られるアップサンプリング後第１レイヤ復号信号のＭＤＣＴ係数（以下、第１レイヤ復号スペクトルと呼ぶ）Ｃ１（ｋ）を第２レイヤ復号部２８０５に出力する。ここで、直交変換処理部２８０４の動作は、図２４に示した直交変換処理部２４０５のアップサンプリング後第１レイヤ復号信号に対する処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第２レイヤ復号部２８０５は、直交変換処理部２８０４から入力される第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）、および符号化情報分離部２８０１から入力される第２レイヤ符号化情報とビットレート情報とを用いて、高域成分を含む出力スペクトルＣ２（ｋ）を生成する。次に、第２レイヤ復号部２８０５は、生成した出力スペクトルＣ２（ｋ）を、直交変換処理部２８０６に出力する。第２レイヤ復号部２８０５における処理の詳細は後述する。

直交変換処理部２８０６は、第２レイヤ復号部２８０５から入力される出力スペクトルＣ２（ｋ）に対して直交変換を施し、時間領域の信号に変換する。直交変換処理部２８０６は、得られた信号を出力信号として出力する。ここで、直交変換処理部２８０６の動作は、図８に示した直交変換処理部８０２の処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。

図３０は、図２９に示した第２レイヤ復号部２８０５の内部構成を示すブロック図である。第２レイヤ復号部２８０５は、分離部２９０１、残差スペクトル復号部２９０２、および帯域拡張復号部２９０３から主に構成される。

分離部２９０１には、符号化情報分離部２８０１から第２レイヤ符号化情報が入力される。分離部２９０１は、第２レイヤ符号化情報を残差スペクトル符号化情報、および帯域拡張符号化情報に分離する。分離部２９０１は、残差スペクトル符号化情報を残差スペクトル復号部２９０２に出力し、帯域拡張符号化情報を帯域拡張復号部２９０３に出力する。なお、符号化情報分離部２８０１において、残差スペクトル符号化情報、帯域拡張符号化情報に分離済みの場合は、分離部２９０１を配置しなくても良い。

残差スペクトル復号部２９０２は、分離部２９０１から入力される残差スペクトル符号化情報を復号し、復号残差スペクトルＤ１（ｋ）を算出する。次に、残差スペクトル復号部２９０２は、得られた復号残差スペクトルＤ１（ｋ）を帯域拡張復号部２９０３に出力する。残差スペクトル復号部２９０２の処理の詳細については後述する。

帯域拡張復号部２９０３には、分離部２９０１から帯域拡張符号化情報が入力される。また、帯域拡張復号部２９０３には直交変換処理部２８０４から第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）が入力される。また、帯域拡張復号部２９０３には符号化情報分離部２８０１からビットレート情報が入力される。また、帯域拡張復号部２９０３には残差スペクトル復号部２９０２から復号残差スペクトルＤ１（ｋ）が入力される。帯域拡張復号部２９０３は、これらの入力情報から出力スペクトルＣ２（ｋ）を算出し、これを直交変換処理部２８０６に出力する。帯域拡張復号部２９０３の処理の詳細については後述する。

図３１は、図３０に示した残差スペクトル復号部２９０２の内部構成を示すブロック図である。残差スペクトル復号部２９０２は、分離部３００１、形状復号部３００２、および利得復号部３００３から主に構成される。

分離部３００１には、分離部２９０１から残差スペクトル符号化情報が入力される。分離部３００１は、残差スペクトル符号化情報を形状符号化情報と利得符号化情報とに分離し、形状符号化情報を形状復号部３００２に出力し、利得符号化情報を利得復号部３００３に出力する。

形状復号部３００２には、分離部３００１から形状符号化情報が入力される。また、形状復号部３００２には、符号化情報分離部２８０１からビットレート情報が入力される。形状復号部３００２は、形状符号化部２７０２が備える形状コードブックと同様な形状コードブックを内蔵し、分離部３００１から入力される形状符号化情報Ｓ＿ｍａｘをインデックスとする形状コードベクトルを探索する。形状復号部３００２は、探索した形状コードベクトルを、符号化情報分離部２８０１から入力されるビットレート情報に応じた帯域のスペクトルの形状の値として利得復号部３００３に出力する。ここでは、形状の値として探索された形状コードベクトルをＳｈａｐｅ＿ｑ’（ｋ）と記す。

なお、ここで、形状復号部３００２は、符号化対象スペクトル算出部２７０１において説明した方法と同様の方法によって、ビットレート情報に応じた帯域を算出する。

利得復号部３００３は、利得符号化部２７０３が備える利得コードブックと同様な利得コードブックを内蔵し、この利得コードブックを用いて、式（１６）に従い利得符号化情報から利得の値を逆量子化する。ここでも、利得値をＬ次元ベクトルとして扱い、ベクトル逆量子化を行う。すなわち、利得符号化情報Ｇ＿ｍｉｎに対応する利得コードベクトルＧＣ_ｊ ^{Ｇ＿ｍｉｎ}をそのまま利得値Ｇａｉｎ＿ｑ’（ｊ）とする。

次いで、利得復号部３００３は、逆量子化で得られる利得値、および形状復号部３００２から入力される形状の値を用いて、式（３５）に従い、符号化情報分離部２８０１から入力されるビットレート情報に応じた帯域に対する復号残差スペクトルＤ１（ｋ）を算出し、算出した復号残差スペクトルＤ１（ｋ）を帯域拡張復号部２９０３に出力する。なお、スペクトル（ＭＤＣＴ係数）の逆量子化において、ｋがＢ（ｊ”）〜Ｂ（ｊ”＋１）−１内に存在する場合、利得値Ｇａｉｎ＿ｑ’（ｊ）はＧａｉｎ＿ｑ’（ｊ”）の値をとる。

なお、利得復号部３００３は、形状復号部３００２と同様に、符号化対象スペクトル算出部２７０１において説明した方法と同様の方法によって、ビットレート情報に応じた帯域を算出する。

図３２は、図３０に示した帯域拡張復号部２９０３の内部構成を示すブロック図である。帯域拡張復号部２９０３は、分離部３１０１、フィルタ状態設定部３１０２、フィルタリング部３１０３、利得復号部３１０４、スペクトル調整部３１０５、および加算スペクトル算出部３１０６から主に構成される。

分離部３１０１は、分離部２９０１から入力される帯域拡張符号化情報を、フィルタリングに関する情報である最適ピッチ係数Ｔ’と、ゲインに関する情報である符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスと、に分離する。次に、分離部３１０１は、最適ピッチ係数Ｔ’をフィルタリング部３１０３に出力し、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスを利得復号部３１０４に出力する。なお、符号化情報分離部２８０１あるいは分離部２９０１において、最適ピッチ係数Ｔ’、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスに分離済みの場合は、分離部３１０１を配置しなくても良い。

加算スペクトル算出部３１０６には、直交変換処理部２８０４から第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）が入力される。また、加算スペクトル算出部３１０６には、残差スペクトル復号部２９０２から復号残差スペクトルＤ１（ｋ）が入力される。加算スペクトル算出部３１０６は、これら２つのスペクトルを、式（３１）に示したように周波数軸上で加算し、加算スペクトルＡ（ｋ）を算出する。次に、加算スペクトル算出部３１０６は、加算スペクトルＡ（ｋ）をフィルタ状態設定部３１０２に出力する。

フィルタ状態設定部３１０２は、符号化情報分離部２８０１から入力されるビットレート情報に基づいて、加算スペクトル算出部３１０６から入力される加算スペクトルＡ（ｋ）を、フィルタリング部３１０３で用いるフィルタ状態として設定する。ここで、フィルタリング部３１０３における全周波数帯域０≦ｋ＜Ｆｍａｘのスペクトルを便宜的にＺ（ｋ）と呼ぶ場合、スペクトルＺ（ｋ）のうち、ビットレート情報に応じた帯域に、加算スペクトルＡ（ｋ）がフィルタの内部状態（フィルタ状態）として格納される。なお、フィルタ状態設定部３１０２の構成および動作は、図５に示したフィルタ状態設定部５０２と同様であるため、詳細な説明を省略する。

フィルタリング部３１０３は、マルチタップ（タップ数が１より多い）のピッチフィルタを備える。フィルタリング部３１０３は、フィルタ状態設定部３１０２により設定されたフィルタ状態と、分離部３１０１から入力されるピッチ係数Ｔ’と、予め内部に格納しているフィルタ係数に基づき、符号化情報分離部２８０１から入力されるビットレート情報に応じた帯域に対して、加算スペクトルＡ（ｋ）をフィルタリングする。そして、フィルタリング部３１０３は、式（３６）に示すように、入力スペクトルＸ（ｋ）の推定スペクトルＸ’（ｋ）を算出する。

なお、ここで、フィルタ状態設定部３１０２およびフィルタリング部３１０３は、ビットレート情報に応じた帯域として、帯域分割部２６０１において説明した方法と同様の方法によって算出されるスペクトルの高域部分を用いる。

フィルタリング部３１０３でも、式（１３）に示した伝達関数が用いられる。フィルタリング部３１０３は、フィルタリングして得られた推定スペクトルＸ’（ｋ）を、スペクトル調整部３１０５に出力する。

利得復号部３１０４は、符号化情報分離部２８０１から入力されるビットレート情報に応じた帯域に対して、分離部３１０１から入力される符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスを復号し、変動量Ｖ（ｊ）の量子化値である符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）を求める。ここで、符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）のインデックスの復号に用いる利得コードブックは、利得復号部３１０４に内蔵されたものであり、図５に示した利得符号化部５０６で使用した利得コードブックと同様のものである。利得復号部３１０４は、復号して得られた符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）をスペクトル調整部３１０５に出力する。

ここで、利得復号部３１０４は、ビットレート情報に応じた帯域として、帯域分割部２６０１において説明した方法と同様の方法によって算出されるスペクトルの高域部分を用いる。

スペクトル調整部３１０５は、式（３７）に従い、符号化情報分離部２８０１から入力されるビットレート情報で指定される高域部に対して、フィルタリング部３１０３から入力される推定スペクトルＸ’（ｋ）に、利得復号部３１０４から入力されるサブバンド毎の符号化後の変動量Ｖ_ｑ（ｊ）を乗じる。

ここで、スペクトル調整部３１０５は、ビットレート情報に応じた帯域として、帯域分割部２６０１において説明した方法と同様の方法によって算出されるスペクトルの高域部分を用いる。これにより、スペクトル調整部３１０５は、推定スペクトルの高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ３≦ｋ＜Ｆｍａｘ））におけるスペクトル形状を調整し、出力スペクトルＣ２（ｋ）を生成して直交変換処理部２８０６に出力する。

なお、式（３７）において、ｊは利得符号化時のサブバンドインデックスを示し、スペクトルのインデックスｋに応じて設定されるものとする。つまり、サブバンドインデックスがｊ”であるサブバンドに含まれるスペクトルインデックスｋに対しては、推定スペクトルＸ’（ｋ）にＶ_ｑ（ｊ”）が乗じられるものとする。

ここで、出力スペクトルＣ２（ｋ）の低域部（（０≦ｋ＜Ｍａｘ１）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ２）あるいは（０≦ｋ＜Ｍａｘ３））は第１レイヤ復号スペクトルＣ１（ｋ）と復号残差スペクトルＤ１（ｋ）とを加算して得られた加算スペクトルＡ（ｋ）からなる。また、出力スペクトルＣ２（ｋ）の高域部（（Ｍａｘ１≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ２≦ｋ＜Ｆｍａｘ）あるいは（Ｍａｘ３≦ｋ＜Ｆｍａｘ））はスペクトル形状調整後の推定スペクトルＸ’（ｋ）からなる。

以上が、復号装置１１３の内部構成の説明である。

このように、本実施の形態によれば、符号化装置／復号装置は、符号化時の状況（例えば符号化ビットレート）に応じて、帯域拡張方式における帯域設定を適応的に切り替える構成を採る。これにより、符号化時の状況に合わせて符号化効率を向上させることができる。

具体的には、例えば符号化時のビットレートが低ビットレートであった場合には、帯域分割部２６０１は、低ビットレートでより効果的な帯域拡張技術によって生成する帯域を広く設定し、帯域拡張技術以外のスペクトル符号化技術によって量子化する帯域を狭く設定する。また、符号化時のビットレートが高ビットレートであった場合には、帯域分割部２６０１は、帯域拡張技術によって生成する帯域を狭く設定し、スペクトルの波形を精度良く符号化するスペクトル符号化技術（帯域拡張技術以外の技術）によって量子化する帯域を広く設定する。

また、帯域拡張符号化／復号時には、符号化装置／復号装置は、低域部分の復号スペクトルとして、符号化／復号時点で得ることのできる精度の高いスペクトル（第１レイヤ復号スペクトルと復号残差スペクトルとの加算スペクトル）を利用することにより、帯域拡張符号化の符号化効率をより向上させることができる。このように、本実施の形態で説明した方式により、復号信号の品質を大きく向上させることができる。

なお、本実施の形態では、ビットレート情報が、符号化ビットレートが最も高いビットレートを示す場合（ＢＲ３を示す場合）に、帯域拡張符号化部２５０１および帯域拡張復号部２９０３で符号化／復号するスペクトルの帯域を狭く設定する構成について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、本発明は、帯域拡張符号化部２５０１および帯域拡張復号部２９０３で符号化／復号するスペクトルの帯域をなくすような構成についても同様に適用できる。この場合、第２レイヤ符号化部２４０６および第２レイヤ復号部２８０５において、それぞれ帯域拡張符号化部２５０１および帯域拡張復号部２９０３は不要であり、残差スペクトル符号化部２５０２および残差スペクトル復号部２９０２において、全帯域のスペクトルを量子化対象とすることになる。また、この際、第２レイヤ符号化部２４０６および第２レイヤ復号部２８０５で利用できる情報量（ビット）をすべて残差スペクトル符号化部２５０２および残差スペクトル復号部２９０２に充てることになる。上記のような帯域拡張符号化部および帯域拡張復号部によって符号化／復号する帯域をなくす構成は、特に符号化ビットレートが非常に高い場合に有効であることが実験により確認されている。

なお、本実施の形態では、図２８に示すように、帯域拡張符号化部２５０１が符号化対象とする帯域「Ｃ」と残差スペクトル符号化部２５０２が符号化対象とする帯域「Ｂ」とが周波数軸上で重ならない場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、図２８に示した以外の構成についても同様に適用できる。例えば、その他の構成の概念図を図３３に示す。図３３は、各レイヤの符号化部／復号部において符号化／復号されるスペクトルの帯域と情報量（符号化ビットレート）との別の対応関係を概念的に示している。

なお、図３３に示したような構成の場合、本実施の形態で説明したような符号化処理とは一部異なる処理を行うことになる。具体的には、本実施の形態では、第２レイヤ符号化部２４０６において、まず残差スペクトル符号化部２５０２によって符号化した後に、復号残差スペクトルを利用して帯域拡張符号化部２５０１により符号化を行った。しかし、図３３の示した構成の場合には、まず帯域拡張符号化部２５０１によって符号化し、得られる高域スペクトルと入力スペクトルとの残差スペクトルを残差スペクトル符号化部２５０２において符号化する構成になる。

なお、本実施の形態では、第１レイヤ符号化部２４０２および第１レイヤ復号部２４０３において、低域成分を符号化／復号する構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、第１レイヤ符号化部２４０２および第１レイヤ復号部２４０３が存在しない構成についても同様に適用できる。この時、残差スペクトル符号化部２５０２および残差スペクトル復号部２９０２では、入力スペクトルそのものに対して、ビットレート情報に基づいて設定される帯域を符号化／復号する構成になる。

なお、本実施の形態では、符号化時のビットレート情報に応じて、帯域拡張符号化部２５０１、および残差スペクトル符号化部２５０２に対してどのようなビット割り当てがなされるかは特に明示していない。ビット割り当て方法として、例えば、帯域拡張符号化部２５０１に割り当てるビットは常に固定とし、残差スペクトル符号化部２５０２に割り当てるビットを可変にするような構成が一例として挙げられる。しかしながら、本発明は、帯域拡張符号化部２５０１および残差スペクトル符号化部２５０２に対するビット割り当て方法に限定されるものではなく、上記以外のビット割り当て方法を採る構成に対しても同様に適用できる。上記以外の例としては、帯域拡張符号化部２５０１および残差スペクトル符号化部２５０２に対して、ビットレート情報が示す符号化ビットレートが高くなるにつれて、双方に割り当てるビットを多くする構成がある。また、その他には、ビットレート情報が示す符号化ビットレートが高くなるにつれて、帯域拡張符号化部２５０１に割り当てるビット数を減らし、残差スペクトル符号化部２５０２に割り当てるビット数を増やす構成もある。

なお、以上の説明では、符号化時の状況の一例として、符号化ビットレートを利用する場合を例に挙げ、符号化ビットレートに応じて帯域設定する場合について説明したが、符号化ビットレートに代えて、入力信号のサンプリング周波数、または、量子化利得等の符号化パラメータを用いるようにしてもよい。入力信号のサンプリング周波数に応じて帯域設定する場合は、サンプリング周波数が予め定めた閾値以上である場合には、本実施の形態において符号化ビットレートが低ビットレートである時の処理をし、閾値未満である場合には、本実施の形態において符号化ビットレートが高ビットレートである時の処理をするという構成が一例として挙げられる。また、量子化利得などの符号化パラメータについては、例えば第１レイヤ符号化部にて量子化された利得（適応音源利得、固定音源利得など）が閾値以上である場合には、本実施の形態において符号化ビットレートが低ビットレートである時の処理をし、閾値未満である場合には、本実施の形態において符号化ビットレートが高ビットレートである時の処理をするという構成が一例として挙げられる。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上記各実施の形態では、帯域設定部が、入力スペクトルあるいは入力スペクトルと第１レイヤ復号スペクトルとの差分スペクトルの低域部と高域部とのエネルギ比に応じて帯域設定情報を決定した。しかし、本発明はこれに限らず、他の情報を用いて帯域設定情報を決定する構成に対しても同様に適用できる。例えば、入力スペクトルあるいは入力スペクトルと第１レイヤ復号スペクトルとの差分スペクトルに対して、トーナリティ（ｔｏｎａｌｉｔｙ：調波性）の分析を行い、帯域設定部が、トーナリティの度合いによって帯域設定情報を決定する構成が例として挙げられる。この場合、トーナリティを算出する構成要素が新たに必要となる。ここで、トーナリティの算出方法（検出方法）については、特許文献２などに詳細に開示されている。

具体的には、入力信号のトーナリティが低い場合、つまり入力信号がスピーチ（音声）である傾向が高い場合には、帯域設定部は、低域部をより狭く、高域部をより広く設定する。これは、本実施の形態における帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が０である場合に相当する。これにより、入力信号がスピーチである場合に復号信号の品質に大きく影響を与える低域部のスペクトルデータを、形状利得符号化方式により、集中的に符号化でき、復号信号の品質を高めることができる。

また、入力信号のトーナリティが高い場合、つまり入力信号がオーディオ（音楽）である傾向が高い場合には、帯域設定部は、低域部をより広く、高域部をより狭く設定する。これは、本実施の形態における帯域設定情報Ｂａｎｄ＿Ｓｅｔｔｉｎｇの値が１である場合に相当する。これにより、より高域部分まで形状利得符号化方式で符号化歪を小さくすることができ、入力信号がオーディオである場合に復号信号の品質に大きな影響を与える帯域感を向上させることができる。

また、トーナリティを帯域設定情報の決定に用いる場合、トーナリティが帯域設定部以外の構成要素で算出されている場合には、算出されたトーナリティを帯域設定部に入力する構成を採ることによって、トーナリティの算出に必要な演算量を削減することができる。この場合には、帯域設定部にトーナリティを入力すればよく、入力スペクトルや差分スペクトルを入力する必要はない。

また、上記各実施の形態では、帯域設定部において、帯域設定情報の値が０か１かの２値である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、帯域設定情報が２値以上の値をとる構成についても同様に適用できる。帯域設定情報に必要なビット数（情報量）は増えてしまうものの、帯域設定情報の取り得る値を増やし、帯域の設定パターンを増やすことにより、より入力信号に適した帯域設定をすることができる。例えば、帯域設定情報の取り得る値を、０、１、２、３の４値にし、低域部と高域部とのエネルギ比に応じて上記４種類の値のいずれかを設定することにより、入力信号に応じてより細かく、各レイヤの符号化部で量子化する帯域を設定することができる。

また、上記各実施の形態では、帯域設定部が、処理フレーム毎に帯域を調整する構成を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、帯域設定部が、処理フレーム毎に帯域を調整せず、例えば、数フレーム処理毎に帯域を調整する構成に対しても同様に適用できる。このような構成により、帯域設定部における処理演算量を削減することができるとともに、処理フレーム毎に帯域が調整されることによって起こり得る復号信号の不連続性を軽減することができる。

また、上記各実施の形態では、帯域設定部が、処理フレーム毎に、独立に帯域を調整する構成を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、帯域設定部が、過去の処理フレームにおける帯域設定情報に基づいて、現フレームの帯域を調整する（設定する）構成に対しても同様に適用できる。例えば、過去の数フレーム前における帯域設定情報を利用して、現フレームの帯域設定時のパラメータ（第１帯域エネルギ、第２帯域エネルギなど）を時間軸上で平滑化し、現フレームの帯域設定情報を決定する構成が例に挙げられる。また、帯域設定情報そのものが、時間的に急激に変動しないように、帯域設定情報を数フレーム遅延させた上で、帯域設定情報を平滑化する構成も例に挙げられる。このような構成により、帯域設定情報が処理フレーム毎に急激に変動することを防ぐことができ、処理フレーム毎に帯域が調整されることによって起こり得る復号信号の不連続性を軽減することができる。

また、上記実施の形態１から実施の形態３の符号化装置においては、入力信号特性に応じて、拡張する帯域の設定を適応的に決定すること、上記実施の形態４の符号化装置においては、符号化時の状況を示す符号化パラメータに応じて、拡張する帯域の設定を適応的に決定することを説明した。しかし、符号化装置は、入力信号と符号化パラメータとの両方を入力し、入力信号特性と符号化パラメータとの両方に基づいて、拡張する帯域の設定を決定することも可能である。例えば具体的な方法の一例として、まず始めに符号化パラメータ（符号化ビットレート等）により、ある程度、拡張する帯域を設定し、その次に、入力信号特性（低域と高域とのエネルギ比など）を使って、拡張する帯域設定の微調整を行う、というような方法が可能である。これにより、より適切な帯域設定を行うことができるため、より効率的な符号化を行うことができるとともに、復号装置における復号信号の品質も改善することができる。あるいは、符号化装置は、入力信号と符号化パラメータとの両方を入力し、入力信号特性と符号化パラメータとのどちらのパラメータを用いるのが適切かを判断していずれかを選択し、選択したパラメータに基づいて、拡張する帯域の設定を決定することも可能である。

また、本発明に係る符号化装置、復号装置およびこれらの方法は、上記各実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、各実施の形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

また、上記各実施の形態における復号装置は、上記各実施の形態における符号化装置から伝送された符号化情報を用いて処理を行うとした。しかし、本発明はこれに限定されず、必要なパラメータやデータを含む符号化情報であれば、必ずしも上記各実施の形態における符号化装置からの符号化情報でなくても処理は可能である。

また、信号処理プログラムを、メモリ、ディスク、テープ、ＣＤ、ＤＶＤ等の機械読み取り可能な記録媒体に記録、書き込みをし、動作を行う場合についても、本発明は適用することができ、本実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。

また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。

また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル／プロセッサを利用してもよい。

さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。

２００９年１０月２３日出願の特願２００９−２４４８３８及び２００９年１１月３０日出願の特願２００９−２７２１９４に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

本発明にかかる符号化装置、復号装置およびこれらの方法は、低域部のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域部のスペクトルを推定する際に、復号信号の品質を向上することができ、例えば、パケット通信システム、移動通信システムなどに適用できる。

１０１、１１１、１２１、１３１ 符号化装置
１０２ 伝送路
１０３、１１３、１２３、１３３ 復号装置
２０１、８０２、１００５、１４０４、１４０６、２４０５、２８０４、２８０６ 直交変換処理部
２０２ 符号化部
３０１、１１０１、１８０１ 帯域設定部
３０２、１１０２ 低域符号化部
３０３、１１０３、１８０２ 高域符号化部
９０２、１５０２ 低域復号部
９０３、１５０３、２００２ 高域復号部
３０４、４０４、５０７、１１０４、１２０４、１３０７、１８０３、２５０３、２７０４ 多重化部
４０１、２７０１ 符号化対象スペクトル算出部
４０２、１２０２、２７０２ 形状符号化部
４０３、５０６、１２０３、１３０６、２７０３ 利得符号化部
５０１、１３０１、１３１１、２６０１ 帯域分割部
５０２、９２２、１３０２、１６０２、３１０２ フィルタ状態設定部
５０３、９２３、１３０３、１６０３、３１０３ フィルタリング部
５０５、１３０５ 探索部
５０４、１３０４ ピッチ係数設定部
８０１ 復号部
９０１、９１１、９２１、１５０１、１６０１、２００１、２９０１、３００１、３１０１ 分離部
１５０４ スペクトル合成部
９１２、３００２ 形状復号部
９１３、９２４、１６０４、３００３、３１０４ 利得復号部
９２５、１６０５、３１０５ スペクトル調整部
１００１、２４０１ ダウンサンプリング処理部
１００２、２４０２ 第１レイヤ符号化部
１００３、１４０２、２４０３、２８０２ 第１レイヤ復号部
１００４、１４０３、２４０４、２８０３ アップサンプリング処理部
１００６、１７０１、２４０６ 第２レイヤ符号化部
１００７、２４０７ 符号化情報統合部
１２０１ 差分スペクトル算出部
１４０１、２８０１ 符号化情報分離部
１４０５、１９０１、２８０５ 第２レイヤ復号部
２５０１ 帯域拡張符号化部
２５０２ 残差スペクトル符号化部
２６０２、３１０６ 加算スペクトル算出部
２９０２ 残差スペクトル復号部
２９０３ 帯域拡張復号部

Claims (17)

1. 低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置であって、
   周波数領域の入力信号を入力して、前記入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて、前記帯域拡張により設定される高域側の第１帯域を決定する帯域設定情報を生成する帯域設定手段と、
   前記帯域設定情報に基づいて決定される前記第１帯域の前記入力信号を符号化して高域部符号化情報を生成する高域符号化手段と、
   を具備する、
   符号化装置。
2. 前記帯域設定手段は、
   前記周波数領域を前記第１帯域と低域側の第２帯域とに分割することにより前記第１帯域及び前記第２帯域を決定する前記帯域設定情報を生成する、
   請求項１記載の符号化装置。
3. 前記帯域設定情報に基づいて決定される前記第２帯域の前記入力信号を符号化して低域部符号化情報を生成する低域符号化手段、をさらに具備する、
   請求項２記載の符号化装置。
4. 前記第２帯域の低域部分において予め固定された帯域の前記入力信号を符号化して固定帯域符号化情報を生成する固定帯域符号化手段、をさらに具備する、
   請求項２記載の符号化装置。
5. 前記第２帯域の前記入力信号と前記固定された帯域の前記入力信号との差分を符号化して低域部符号化情報を生成する低域符号化手段、をさらに具備する、
   請求項４記載の符号化装置。
6. 前記帯域設定手段は、
   前記第３帯域のエネルギが前記第４帯域のエネルギよりも相対的に大きい場合には、前記第１帯域を狭く設定し、前記第３帯域のエネルギが前記第４帯域のエネルギよりも相対的に大きくない場合には、前記第１帯域部を広く設定する、
   請求項１記載の符号化装置。
7. 前記帯域設定手段は、
   複数フレーム毎に、前記帯域設定情報を生成する、
   請求項１記載の符号化装置。
8. 前記帯域設定手段は、
   過去の処理フレームにおける前記帯域設定情報に基づいて、現フレームの前記帯域設定情報を生成する、
   請求項１記載の符号化装置。
9. 低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置であって、
   周波数領域の入力信号を入力して、前記周波数領域を前記帯域拡張により設定される高域側の第１帯域と低域側の第２帯域とに分割し、前記入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて、前記第１帯域及び前記第２帯域を決定する帯域設定情報を生成する帯域設定手段と、
   前記帯域設定情報に基づいて決定される前記第１帯域の前記入力信号を符号化して高域部符号化情報を生成する高域符号化手段と、
   を具備する、
   符号化装置。
10. 前記帯域設定手段は、
    前記第３帯域のエネルギが前記第４帯域のエネルギよりも相対的に大きい場合には、前記第２帯域を広く設定して前記第１帯域を狭く設定し、前記第３帯域のエネルギが前記第４帯域のエネルギよりも相対的に大きくない場合には、前記第２帯域を狭く設定して前記第１帯域部を広く設定する、
    請求項９記載の符号化装置。
11. 周波数領域の入力信号の低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置において生成された符号化情報を受信して復号する復号装置であって、
    前記周波数領域の高域側である第１帯域の入力信号を符号化して生成された高域部符号化情報と、前記周波数領域の低域側の第２帯域の前記入力信号を符号化して生成された低域部符号化情報と、前記周波数領域の入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて設定された前記第１帯域の帯域設定情報と、を含む符号化情報を受信する受信手段と、
    前記低域部符号化情報を用いて、前記第２帯域に対する低域復号信号を生成する低域復号手段と、
    前記高域部符号化情報および前記帯域設定情報を用いて、前記第１帯域に対する高域復号信号を生成し、前記低域復号信号と前記高域復号信号とを用いて前記周波数領域の復号信号を生成する高域復号手段と、
    を具備する、
    復号装置。
12. 請求項１記載の符号化装置を具備する通信端末装置。
13. 請求項１記載の符号化装置を具備する基地局装置。
14. 請求項１１記載の復号装置を具備する通信端末装置。
15. 請求項１１記載の復号装置を具備する基地局装置。
16. 低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化方法であって、
    周波数領域の入力信号を入力して前記入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較し、比較結果に基づいて、前記帯域拡張により設定される高域側の第１帯域を決定する帯域設定情報を生成する帯域設定ステップと、
    前記帯域設定情報に基づいて決定される前記第１帯域の前記入力信号を符号化して高域部符号化情報を生成する高域符号化ステップと、
    を具備する、
    符号化方法。
17. 周波数領域の入力信号の低域側のスペクトルを用いて帯域拡張を行い高域側のスペクトルを生成する符号化装置において生成された符号化情報を受信して復号する復号方法であって、
    前記周波数領域の高域側である第１帯域の入力信号を符号化して生成された高域部符号化情報と、前記周波数領域の低域側の第２帯域の前記入力信号を符号化して生成された低域部符号化情報と、前記周波数領域の入力信号のうち低域側の任意の第３帯域の前記入力信号のエネルギと、前記第３帯域より高域側の任意の第４帯域の前記入力信号のエネルギとを比較した比較結果に基づいて設定された前記第１帯域の帯域設定情報と、を含む符号化情報を受信する受信ステップと、
    前記低域部符号化情報を用いて、前記第２帯域に対する低域復号信号を生成する低域復号ステップと、
    前記高域部符号化情報および前記帯域設定情報を用いて、前記第１帯域に対する高域復号信号を生成し、前記低域復号信号と前記高域復号信号とを用いて前記周波数領域の復号信号を生成する高域復号ステップと、
    を具備する、
    復号方法。

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