JPH07118658B2 - 信号符号化方法 - Google Patents

信号符号化方法

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JPH07118658B2
JPH07118658B2 JP61067732A JP6773286A JPH07118658B2 JP H07118658 B2 JPH07118658 B2 JP H07118658B2 JP 61067732 A JP61067732 A JP 61067732A JP 6773286 A JP6773286 A JP 6773286A JP H07118658 B2 JPH07118658 B2 JP H07118658B2
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frame
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signal
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健弘 守谷
雅彰 誉田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は信号符号化方法に係り、特に音声や画像信号等
の高能率ディジタル符号化方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、信号系列を1定サンプル数ごとに1フレームとし
てまとめ、フレーム単位で高性能率符号化する方法とし
て適応変換符号化法が知られている。これは、信号系列
をフレーム内で定常とみなして直交変換し、直交変換領
域(周波数領域)でのエネルギーの偏在に適応させて情
報を配分して量子化する方法で、特にベクトル量子化手
法も組み入れたものとして、適応変換ベクトル符号化方
法がある(特許第1,258,025号)。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は、特に周波数領域でエネルギー偏在の程
度が大きく、定常的フレームにおいてきわめて歪の小さ
い符号化が実現されることが知られている。しかしなが
ら、音声や画像等の信号系列を一定サンプル数ごとに区
切っていくと、信号の振幅がフレーム内で大きく変動
し、定常と仮定するには無理な場合が生じる。このよう
なフレームの信号に対しては、従来技術では量子化歪を
十分小さくすることができず、この結果、音声において
は明瞭性の低下、画像においてはコントラストの低下に
つながっていた。
本発明の目的は、信号の振幅が大きく変動するような過
渡的なフレームに対しても、量子化歪が小さくなるよう
な信号符号化方法を提供することになる。
〔問題点を解決するための手段及び作用〕
本発明はフレーム内の振動変動パターンを抽出し、その
変動の程度が大きい場合、フレーム内を複数の副フレー
ムに分割し、振幅変動パターンにもとづいて、正規化と
所定の数式による情報配分を行い、副フレームごとに符
号化することを最も主要な特徴とする。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例について図面により説明する。
なお、以下の説明では、信号はアナログ・ディジタル変
換後のディジタル信号とし、該ディジタル信号をマイク
ロコンピュータに入力して、プログラムにより所望の処
理を実行するものとする。
第1図は本発明の一実施例で、音声信号をフレームあた
りBビット(フレーム内のパワー情報を除く)で符号
化、復号化する処理手順を示している。
はじめに、符号化処理について説明する。まず、信号入
力を一定サンプル数ごとに(例えば256サンプル)1フ
レームとし、パワー(信号の電力、エネルギー等の意
味)を正規化する(ステップ101)。次にフレーム内で
信号を2乗して、振幅変動のパワー系列を求め、その変
動の包絡線を推定する(ステップ102)。そして、振幅
変動の程度を閾値θと比較し(ステップ103)、その変
動の程度が大きい場合にのみフレームを複数の副フレー
ムに分割して符号化する(ステップ105〜108)。変動の
程度が小さい時にはフレーム全体の符号化(例えば適応
変換符号化)をB−1ビットで行う(ステップ104)。
なお、ステップ103の代りに、分割して符号化する場合
と全体で符号化する場合の双方を試して、より符号化歪
が小さくなるほうを選択することもできる。いずれにし
ても、最終的に全体か、分割かを選択し、それを指定す
る補助情報1ビット(例えば“0"は全体、“1"は分割)
を符号化信号に付加して復号側に伝送する必要がある。
また、分割の方法を多種用意し、それを補助情報で選択
することも可能である。
変動の程度を具体的に定量化するためには、例えば、
(1)式のGを使う。
こゝで、フレームをM等分するとして、giはi番目の副
フレームの平均パワーである。実はGは理想的な情報割
当てで期待できるSN比向上の理論値のdB表示である。従
って、Gが閾値θ(例えば0.5dB)を超えるか否かで分
解するか否かを判断できる。
次に、分割して符号化する場合について詳しく説明す
る。まず、フレーム内パワー変動包絡線を量子化する
(ステップ105)。qは量子化パラメータで復号側に伝
達する。分割する副フレームの平均パワー値をそれぞれ
量子化してもよいし、それをフレーム全体でベクトルと
して量子化してもよいし、線形予測分析による全極型包
絡として線形予測パラメータととして量子化してもよ
い。
副フレーム内の平均パワーを量子化する際には、量子化
後の代表値をy、入力をxとすると、例えば下記Dが最
小となるようにyを選ぶとよい。
これは量子化後の代表値の平方根で振幅を割算する形
で、後に正規化が行われるためである。
次にフレーム内振幅の正規化を行う(ステップ106)。
各副フレームごとに副フレーム内の信号を平均パワー包
絡値の平方根で割算する。この時、平均パワー包絡値を
隣接副フレームで補間して割算してもよいし、また、後
術する2乗振幅系列をコサイン変換して相関関数を求
め、その相関関数に基づく線形予測分析でパワー包絡を
求める場合はこの求めたパワー包絡値は1点ごとになめ
らかに与えられるのでその平方根で1点ごとに割算をし
てもよい。
次にパワー包絡値を利用して各副フレームごとに情報割
当を行う(ステップ107)。こゝでも、フレームをM等
分して副フレームとする仮定すると、フレーム全体の量
子化歪は(3)式で評価できる。
こゝで、biは第i副フレームへの情報量で、fは情報量
を変数とする歪の関数である。biの総和は、フレーム全
体の情報量Bから、パワー包絡パターンの量子化ビット
qと分割を選択する1ビットを除いたである。
理想的なfを(5)式のように仮定すると、biは(6)
式となり、(3)式の量子化歪を最小にできる。
こゝで、Cは定数、Lはフレーム内全サンプル数であ
る。f(bi)を実験的に求めて、各副フレームごとの誤
差gi・f(bi)が等しくなるようにbiを調整する方法で
も割当が可能である。(6)式のbiが負となるような場
合にも、bi≧0の範囲で各副フレームの誤差ができるだ
け等しくなるようにbiを再調整する必要がある。
このように決められた各副フレームに対する情報量で、
正規化された信号を符号化する(ステップ108)。この
符号化としては適応変換符号化、適応予測符号化等、既
知の波形符号化が可能である。この際必要となるスペク
トルパラメータは各副フレームごとに線形予測分析で求
めてもよいし、フレーム全体で原信号から求めてよい
し、フレーム全体で振幅包絡正規化後の信号から求めて
もよい。
次に復号化処理について説明する。補助情報が“全体”
を示している場合はフレーム全体を復号化する(ステッ
プ109)。補助情報が“分割”を示している場合は、ま
ずパワー包絡線を復号し(ステップ110)、副フレーム
への情報割当を行う(ステップ111)。次に、これに従
って副フレームの復号化を行い(ステップ112)、パワ
ー包絡線の平方根を乗じて振幅を再生し(ステップ11
3)、音声出力を得る。
第2図は本発明の他の実施例の処理手順を示したもので
ある。
符号側では、まずフレーム全体について線形予測分析を
行い、予測残差系列を求め、残差パワーを正規化する
(ステップ201)。線形予測パラメータrは、フレーム
全体の残差の符号化、復号化および副フレーム内の残差
の符号化、復号化にも、周波数領域での情報割当のため
に用いられる。次に、フレーム内での残差信号(B−
r)の振幅変動の包絡線を推定し(ステップ202)、振
幅変動の程度を閾値θと比較する(ステップ203)。そ
して、その変動の程度が小さい時にはフレーム全体で残
差を符号化する(ステップ204)。一方、変動の程度が
大きい場合には、フレームを複数の副フレームに分割し
て残差信号系列について符号化する(ステップ205〜20
8)。即ち、残差信号の振幅変動包絡のパターンを量子
化し(ステップ205)、この量子化された変動パターン
で残差信号波形の振幅を正規化し(ステップ206)、各
副フレームへ割りあてる情報を先の(6)式の如く算出
し(ステップ207)、各副フレームごとに割りあてられ
た情報量で残差信号を符号化する(ステップ208)。
復号化側では、補助情報が“全体”を示している場合は
フレーム全体の残差復号化を行う(ステップ209)。補
助情報が“分割”を示している場合は、まず残差パワー
包絡線を復号し(ステップ210)、副フレームへの情報
割当を行う(ステップ211)。次に、これに従って副フ
レームの残差復号化を行い(ステップ212)、残差振幅
補正する(ステップ213)。そして、この振幅まで復元
された残差系列を駆動音源として伝送された線形予測パ
ラメータrによる合成フイルタで音声出力を得る(ステ
ップ214)。
第3図はパワー系列または残差パワー系列の包絡線を線
形予測分析で求める手順を示したものである。
こゝで、tを変数とする信号系列をu(t)とし、その
2乗値をv(t)とする。まず、v(t)を(7)式の
形式でコサイン変換し、V(k)を得る(ステップ30
1)。Lはフレーム内のサンプル数である。
次にk=1からpまでのV(k)をV(0)で正規化
し、相関関数ρ(k)を得る(ステップ302)。
ρ(k)=V(k)/V(0) (k=1…p) (8) 次にρ(k)を従って線形予測分析を行う(ステップ30
3)。すなわち、 のコール・ウォーカー方程式に解き、予測係数α…α
を求める。
時間軸パワー包絡h(t)は、rは正規化残差パワーと
して、 と求まる(ステップ304)。
こゝでV(0)はフレーム内総パワーまたはフレーム内
残差総パワーであるから、実施例の場合、あらかじめ正
規化されて別の情報で伝送されているものとしている。
たゞし、時間軸パワー包絡の形状h(t)と一体として
量子化することも可能である。
また、正規化残差rはα…αを求める段階で一意に
決定される。従って、h(t)の形状の再生にはα
αまたはこれと等価なパラメータセットが必要であ
る。また量子化特性や安定判別の点からRARCOR係数
(k1,…,kp)やLSPパラメータ等、周波数領域でのパワ
ースペクトル包絡の量子化に用いられるパラメータで量
子化することやベクトル量子化の導入が有効となる。
第4図は本発明を音声の符号化(9.6Kbsp)に適用し、
フレーム全体の符号化と比較した例である。
同図(a)は音声波形(8KHzサンプル,256点1フレー
ム)、同図(b)は線形予測残差(3倍に拡大、予測次
数10次、予測パラメータは24ビットベクトル量子化)と
線形予測による時間軸パワー包絡(8次分析、破線は5
ビツトベクトル量子化後)、同図(c)はフレーム全体
の適応変換ベクトル符号化法による最終的符号化誤差
(3倍拡大)、同図(d)はフレームを4つの副フレー
ムに分割して正規化と情報割当を行ったときの符号化誤
差(3倍拡大)である。この例では符号化誤差を約2dB
低減させており、平均的にも同程度の改善効果がある。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、分析フレーム内
での時間的パワーの偏りに合わせて歪が小さくなるよう
情報配分と正規化を行うため、フレーム内の量子化歪を
小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の符号化、復号化手順を示す
図、第2図は本発明の他の実施例の符号化、復号化手順
を示す図、第3図は原信号波形または残差信号波形のフ
レーム内の時間的パワー包絡を得るための手順を示す
図、第4図は副フレームに分割した符号化の例とフレー
ム全体の符号化との符号化誤差を比較した図である。 101……パワー正規化、102……包絡線推定、103……振
幅変動の比較、104……フレーム全体の符号化、105……
パワー包絡線量子化、106……フレーム内振幅正規化、1
07……副フレーム分割情報割当、108……副フレーム内
符号化。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】信号系列を一定サンプル数ごとに1フレー
    ムとしてまとめ、一定の情報量で符号化する方法におい
    て、 フレーム内での振幅変動の包絡線を推定し、 振幅変動の程度が設定値以下の場合はフレーム全体で符
    号化し、 振幅変動の程度が設定値以上大きい場合には、フレーム
    を複数の副フレームに分割し、振幅変動包絡線のパター
    ンを量子化し、量子化された振幅変動パターンで信号波
    形の振幅を正規化し、各副フレームへ割り当てる情報を bi:第i副フレームの情報量 B:フレーム全体の情報量 q:パワー包絡パターンの量子化ビット M:フレームの分割数 L:フレーム内全サンプル数 gi:第i副フレームの平均パワー により算出して、副フレームごとに符号化することを特
    徴とする信号符号化方法。
  2. 【請求項2】振幅包絡線を推定する場合、2乗振幅系列
    をコサイン変換して相関関数を求め、その相関関数に基
    づく線形予測分析でパワー包絡を求め、その平方根を振
    幅包絡線とし、同時に、パワー包絡線の量子化を予測パ
    ラメータの量子化を介して行うことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の信号符号化方法。
  3. 【請求項3】信号系列を一定サンプル数毎に1フレーム
    として線形予測分析し、その予測残差を一定の情報量で
    符号化する場合は、フレーム内での残差信号の振幅変動
    の包絡線を推定し、振幅変動の程度が設定値以下の場合
    はフレーム全体で残差を符号化し、変動の程度が設定値
    以上の場合には、フレームを複数の副フレームに分割
    し、残差信号の振幅変動包絡のパターンを量子化し、量
    子化された変動パターンで残差信号波形の振幅を正規化
    し、各副フレームへ割り当てる情報を算出して、各副フ
    レームごとに割り当てられた情報量で残差信号を符号化
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の信号
    符号化方法。
  4. 【請求項4】残差振幅包絡線を推定する場合、2乗残差
    振幅系列をコサイン変換して相関関数を求め、その相関
    関数に基づく線形予測分析で残差パワー包絡を求め、そ
    の平方根を振幅包絡線とし、同時に、残差パワー包絡線
    の量子化を予測パラメータの量子化を介して行うことを
    特徴とする特許請求の範囲第3項記載の信号符号化方
    法。
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