JPH10233691A - 符号化方式および復号方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音声、音響などを高能率に伝送する符号化お
よび復号する方式を提供する。 【解決手段】 入力信号を受信する入力端子と、入力信
号を周波数信号に変換し複数個をまとめてブロックを形
成する信号変換部と、入力信号と周波数信号を分析して
許容誤差を求める分析部と、許容誤差を参照しながら各
ブロックの周波数信号を量子化するときに用いる量子化
部を後述する複数の量子化部から選択する量子化部選択
部と、量子化部選択情報にしたがって周波数信号を量子
化して振幅情報と符号を計算する複数の量子化部と、振
幅情報と符号と量子化部選択情報を多重化する多重化部
と、多重化された信号を出力する出力端子７から構成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は音声、オーディオな
どを効率良く符号化復号する方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】音声やオーディオ信号などのディジタル
符号化方式では、信号の冗長性を利用して信号伝達に必
要な伝送量を削減する。ここではアイ・エス・オー／ア
イ・イー・シー（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇ
ａｎｉｓａｔｉｏｎ ｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｓａｔ
ｉｏｎ／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｉｓｓｉｏｎ）の国際規格
（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ）１
１１７２−３のレイヤ（Ｌａｙｅｒ）１で定められた符
号化方式を例に図３と図４を用いて説明する。

【０００３】従来の符号化器は、入力端子１、信号変換
部２、分析部３、量子化部選択部４、量子化部、多重化
部６、出力端子７から構成される。量子化部としては量
子化ステップ数を変えたものを複数用意する。本例で
は、説明の簡単化のため、３ステップ量子化部５１、７
ステップ量子化部５２、１５ステップ量子化部５３の３
種類を用意した場合について示す。

【０００４】入力端子１からディジタル化されたオーデ
ィオ信号を入力する。信号変換部２では、３２個のオー
ディオ信号サンプルが入力される毎に、入力されたオー
ディオ信号を帯域分割して３２個の周波数信号に変換す
る。さらに、この３２個の周波数信号を１組として、１
２組の周波数信号を蓄積する。各周波数毎に１２個の周
波数信号をまとめたものを１ブロックと呼ぶ。

【０００５】分析部３は、各周波数信号を量子化すると
きに許容される誤差を計算する。例えば、符号化品質の
評価として客観的な信号対雑音比を用いる場合などに
は、許容誤差を各周波数信号で一定にする。また、オー
ディオ符号化などにおいては、信号対雑音比などの客観
的数値のみならず、試聴における主観的評価が重視され
ため、再生音の聴感的品質劣化を最小限に押さえるよう
符号化雑音をコントロールする必要がある。このため、
入力されたオーディオ信号と周波数信号の少なくとも一
方を基に、許容誤差を求める。

【０００６】量子化部選択部４は、後述するように、周
波数信号を量子化するときに使用する量子化部を各ブロ
ック毎に決定する。

【０００７】量子化部では、ブロック内の周波数信号の
振幅値情報を求め、これを用いて周波数信号を符号化し
て、振幅値情報と周波数信号の符号を出力する。振幅値
情報は、表１に示すように、２ｄＢの精度で求める。具
体的には、バッファに蓄積された１ブロック内の周波数
信号を検査して最大振幅値を検出した後、２ｄＢの刻み
で切り上げた値を振幅値とする。本規格では、６３種類
の振幅値情報が準備されており、振幅値情報の伝送には
６ビットを要する。

【０００８】

【表１】

【０００９】量子化特性は本規格では線形である。周波
数信号の大きさをＣ、振幅値をＬ、量子化ステップ数を
Ｓとおくと、表２にしたがって量子化ステップ数Ｓから
求まる係数ＡとＢを用いて（Ａ×Ｃ／Ｌ＋Ｂ）×（Ｓ＋
１）／２を計算し、この計算結果の小数点以下を切捨て
た上位Ｎビットを取り出した後、このＮビットの最上位
ビットを反転させることにより周波数信号の符号を求め
る。復号装置における逆量子化部では、この符号の最上
位ビットを反転させたＱを求め、２×（Ｑ＋１）／Ｓ×
Ｌを計算することにより、周波数信号の逆量子化信号を
得る。

【００１０】

【表２】

【００１１】量子化と逆量子化の具体的な動作を、１ブ
ロックの周波数信号の大きさが０．１０，−０．１５，
−０．０３，０．２０，０．０５，０．４４，０．０
５，−０．１１，０．３２，−０．４０，０．９２，
０．０４である場合を例に示す。

【００１２】このブロックでは、最大振幅値は０．９２
であるので、振幅値としては１．０（ｉｎｄｅｘは３）
を選択する。１５ステップ量子化を適用する場合に得ら
れる符号は、前述の計算により、８，６，７，９，７，
１０，７，６，９，４，１４，７となる。逆量子化部で
は、これらの符号を復号して、０．１３３，−０．１３
３，０．０，０．２６７，０．０，０．４，０．０，−
０．１３３，０．２６７，−０．４００，０．９３３，
０．０を得る。

【００１３】１５ステップ量子化器５３では、一つの周
波数信号の符号を伝送するためには４ビット必要である
ので、ブロック内１２個すべての周波数信号の符号を伝
送するために４８ビットを、振幅値情報を伝送するため
に６ビットを、合計５４ビットを要する。また、量子化
部選択部４が３ステップ量子化器を選択している場合で
は、得られる符号は、１，１，１，１，１，２，１，
１，１，０，２，１となる。逆量子化された値は、０．
０，０．０，０．０，０．０，０．０，０．６６７，
０．０，０．０，０．０，−０．６６７，０．６６７，
０．０となる。

【００１４】したがって、１ブロックを伝送するために
必要なビット数は、各周波数信号の３レベル量子化値を
表す２ビットを１２サンプルと、ブロックの振幅値を表
す６ビットの合計３０ビットである。

【００１５】逆量子化の計算で示されるように、量子化
誤差の大きさは各ブロックの（振幅値Ｌ）／（量子化ス
テップ数Ｓ）に比例するので、量子化ステップ数Ｓが大
きいほど、周波数信号の量子化精度を高めることができ
る。しかしながら、量子化ステップ数Ｓが大きくなる
と、各符号を表すために必要なビット数Ｎが大きくな
り、伝送レートが高くなる。したがって、量子化部選択
部４は、各周波数信号の量子化誤差の大きさが、分析部
３の定める許容誤差の大きさと比例するよう調整をおこ
ないながら、すべての周波数信号を符号化するために必
要なビット数が、伝送レートから定まる範囲内に収まる
よう量子化部を決定する。

【００１６】多重化部６では、各ブロックの量子化部選
択情報と量子化部出力を多重化してビットストリームを
形成して、出力端子７から出力する。

【００１７】また、従来技術による復号器は、図４に示
すように入力端子１１、分離部１２、３ステップ逆量子
化部８１、７ステップ逆量子化部８２、１５ステップ逆
量子化部８３、信号逆変換部１３、出力端子１４とから
構成される。

【００１８】復号側では、入力端子１１で多重化された
信号を受信し、分解部１２で量子化部選択情報と量子化
部出力とに分離する。量子化部選択情報により、符号化
側における量子化方法に対応した逆量子化部を３ステッ
プ逆量子化部８１、７ステップ逆量子化部８２、１５ス
テップ逆量子化部８３から選択する。各逆量子化部で
は、量子化部出力を振幅値情報と周波数信号の符号に分
離し、前述したように、振幅値情報を用いて周波数信号
の符号を逆量子化して各ブロックの周波数信号を再生す
る。信号逆変換部１３では、周波数信号を時間領域信号
に逆変換し、出力端子１４から出力する。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、ブロ
ック内で共通の一つの量子化部を用いる。したがって、
周波数成分の振幅分布が一様でない場合、例えば、ブロ
ック内で極小数の周波数信号のみが突出した大きさの振
幅を持つ場合などでは、量子化された符号が偏り、符号
化効率が劣化する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、入力信号を周
波数信号に変換し複数個をまとめてブロックを形成する
信号変換部と、入力信号と周波数信号を分析して許容誤
差を求める分析部と、許容誤差を参照しながら各ブロッ
クの周波数信号を量子化するときに用いる量子化部を複
数の量子化部から選択するための量子化部選択情報を出
力する量子化部選択部と、量子化部選択情報にしたがっ
て周波数信号を量子化して振幅情報と符号を計算する複
数の量子化部と、振幅情報と符号と量子化部選択情報を
多重化する多重化部と、から構成される符号化方式にお
いて、複数の量子化部がブロックのすべての周波数信号
を符号化する量子化部とブロックの一部の周波数信号の
みを符号化する量子化部とをそれぞれ一つ以上含むこと
を特徴とする。

【００２１】また、本発明は、入力信号を振幅情報と符
号と量子化部選択情報とに分離する分離部と、量子化部
選択情報にしたがって振幅情報を用いて符号を逆量子化
する複数の逆量子化部と、逆量子化部の出力をまとめて
信号変換する信号逆変換部と、から構成される復号方式
において複数の逆量子化部がブロックのすべての周波数
信号を復号する逆量子化部とブロックの一部の周波数信
号のみを復号する逆量子化部とをそれぞれ一つ以上含む
ことを特徴とする。

【００２２】振幅の突出した周波数信号に対しては、振
幅情報、極性情報、周波数指標を用いて量子化および逆
量子化をおこなう。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
１と図２を参照しながら、説明する。なお、本発明の実
施の形態では、４種類の量子化部および逆量子化部を用
いる場合について記すが、量子化部および逆量子化部の
数に制限はない。

【００２４】本発明による符号化器は、入力端子１、信
号変換部２、分析部３、量子化部選択部４、量子化部、
多重化部６、出力端子７から構成される。量子化部とし
ては従来例に対応した、３ステップ量子化部５１、７ス
テップ量子化部５２、１５ステップ量子化部５３の３種
類に加えて、パルス量子化部５０が準備される。

【００２５】入力端子１からディジタル化されたオーデ
ィオ信号が入力される。信号変換部２では、３２個のオ
ーディオ信号サンプルが入力される毎に、入力されたオ
ーディオ信号を帯域分割して３２個の周波数信号に変換
する。さらに、この３２個の周波数信号を１組として、
１２組の周波数信号を蓄積する。各周波数毎に１２個の
周波数信号をまとめて、１ブロックを形成する。信号変
換として、帯域分割に代えてフーリエ変換や離散コサイ
ン変換などを用いて、周波数指標が連続する変換係数を
複数個まとめて１ブロックとしてもよい。

【００２６】分析部３では、従来技術と同様の手法で、
入力されたオーディオ信号と周波数信号などを用いて、
許容誤差の大きさを各周波数信号毎に計算する。

【００２７】量子化部選択部４は、各周波数信号の量子
化誤差の大きさが許容誤差の大きさに比例するよう調整
をおこないながら、すべてのブロックを符号化するため
に必要なビット数が伝送レートから定まる許容範囲内に
収まるよう、各ブロックで用いる量子化部を決定する。
決定された量子化部では、後述するように、各ブロック
の周波数成分を符号化する。

【００２８】多重化部６では、各ブロックの量子化部選
択情報、量子化部出力を多重化してビットストリームを
形成し、出力端子７から出力する。

【００２９】また、本発明による復号器は、入力端子１
１、分離部１２、パルス逆量子化部８０、３ステップ逆
量子化部８１、７ステップ逆量子化部８２、１５ステッ
プ逆量子化部８３、信号逆変換部１３、出力端子１４と
から構成される。

【００３０】入力端子１１で多重化された信号を受信
し、分離部１２で量子化部選択情報と量子化部出力に分
離する。量子化部選択情報により、符号化側における量
子化方法に対応した逆量子化部をパルス逆量子化部８
０、３ステップ逆量子化部８１、７ステップ逆量子化部
８２、１５ステップ逆量子化部８３から選択する。選択
された逆量子化部は、後述するように、量子化部出力を
用いて各ブロックの周波数信号を再生する。信号逆変換
部１３では、周波数信号を時間領域信号に逆変換し、出
力端子１４から出力する。

【００３１】以下に、量子化および逆量子化の動作に関
して具体例を複数示す。

【００３２】第一の例としては、各ブロックの周波数信
号を符号化するときに、振幅値が突出している周波数信
号をパルス量子化部で、その他の周波数信号を従来の量
子化器で符号化する。従来の技術で説明に利用した例で
は、周波数信号０．９２をパルス量子化器で符号化し、
その他の周波数信号０．１０，−０．１５，−０．０
３，０．２０，０．０５，０．４４，０．０５，−０．
１１，０．３２，−０．２８，０．０４を従来と同じ量
子化器で符号化する。

【００３３】パルス量子化部では、一つの周波数信号を
振幅値、極性、周波数指標を求め、出力する。周波数信
号０．９２を処理する例では、従来技術と同じ表１で示
されるｉｎｄｅｘと振幅値情報の関係を適用する場合、
振幅値情報として１．０（ｉｎｄｅｘは３）、極性情報
として正を出力する。周波数信号０．９２はブロック内
では１１番めであるので、周波数指標情報は１１であ
る。このように、パルス量子化部の出力では、振幅情報
用に６ビット、極性情報用に１ビット、ブロック内の１
２個の信号のいずれかを同定する周波数指標情報用に４
ビット必要である。突出した信号を除外することによ
り、最大振幅値は０．９２から０．４４へと半分以下に
なる。したがって、これらの信号に対しては、振幅値は
０．５（ｉｎｄｅｘは６）となる。量子化誤差の大きさ
は各ブロックの（振幅値Ｌ）／（量子化ステップ数Ｓ）
に比例するので、従来例で１５ステップ量子化部および
逆量子化部を用いる場合と同程度の大きさの量子化誤差
で量子化をおこなうためには、必要ステップ数を１５ス
テップから７ステップに削減でき、各符号を伝送するた
めに必要なビット数を４から３に削減できる。７ステッ
プ量子化器を用いて１１個の周波数信号を量子化して得
られる符号は４，２，３，４，３，６，３，２，５，
０，３である。復号側では、これらの符号を復号して、
０．１４３，−０．１４３，０．０，０．１４３，０．
０，０．４２９，０．０，−０．１４３，０．２８６，
−０．４２９，０．０を得る。

【００３４】最終的には、本発明を用いると、表３に示
すように合計５０ビットで１ブロックのすべての周波数
信号の符号を伝送でき、従来技術を用いた場合の５４ビ
ットに比較して、必要ビット数を削減できる。

【００３５】

【表３】

【００３６】次に、量子化ステップが３の場合につい
て、本発明のパルス量子化および逆量子化を使用する例
を、従来技術で示した入力信号の例を再び引用して説明
する。

【００３７】ステップ数が３であるブロックでは、量子
化された周波数信号の大きさは、０と±（振幅値情報で
示される振幅値）との３種類となる。つまり、０を中心
にして、振幅が正と負のパルスを配置することにより、
このブロック内の周波数信号を表現できる。伝送すべき
情報は、ブロック内の信号に共通の振幅値情報を一つ
と、パルスにより模擬する周波数信号の周波数指標と極
性符号である。

【００３８】従来技術で示した入力信号の例では、３個
のパルスによりブロックの周波数信号を模擬できるの
で、１ブロック内で表現できる周波数成分の数を４まで
に限定した場合のビット配分の例を表４に示す。パルス
により模擬する周波数信号は、ブロック内で６，１０，
１１番めの信号であるので、６，１０，１１の情報を周
波数指標として符号化する。それぞれの極性情報は正、
負、正である。振幅値情報としては、最大振幅値を元に
１．０（ｉｎｄｅｘ＝３）、または、模擬する３つの周
波数信号の振幅値の平均値を元に０．６３０（ｉｎｄｅ
ｘ＝５）を用いる。

【００３９】振幅値情報、周波数指標と極性符号に必要
なビット数はそれぞれ６，１，４ビットである。必要な
合計ビット数は２３ビットであり、従来技術の例による
３０ビットより少ない。

【００４０】符号化する周波数信号の数情報用のビット
数を１，２，３，４ビットに変化させるとき、それぞれ
２，４，８，１６個までの周波数信号を模擬できる。必
要ビット数は、模擬する周波数信号の数をＭとおくと、
それぞれ、６＋１＋Ｍ×（４＋１），６＋２＋Ｍ×（４
＋１），６＋３＋Ｍ×（４＋１），６＋４＋Ｍ×（４＋
１）である。したがって、１ブロック内で表現できる周
波数成分の数を４までに限定すると、従来技術の３ステ
ップ量子化を使う場合に比較して、常に必要ビット数が
少なくなる。

【００４１】

【表４】

【００４２】また、パルス量子化および逆量子化を使用
する場合は、符号化する周波数信号の選択に制限を加え
ることにより、ビット数を削減することができる。例え
ば、１ブロック内１２個の周波数信号を各グループ４個
の３グループに分割し、各グループからは１個の周波数
信号のみを符号化するという制限を加える。グループの
分け方の例としては、第１グループには１，４，７，１
０番めの周波数信号を、第２番グループには２，５，
８，１１番めの周波数信号を、第３番グループには３，
６，９，１２番めの周波数信号を割当てる。各グループ
内から一つの周波数信号を選択する基準としては、振幅
値の大きさを用いる。

【００４３】従来技術の項で示した周波数信号の例で
は、第１番グループでは１０番めの周波数信号（−０．
４０）が、第２番グループでは１１番めの周波数信号
（０．９２）が、第３番グループでは６番めの周波数信
号（０．４４）が、グループ内で最も振幅が大きい。つ
まり、各グループ内に割当てられた周波数信号の中で
は、４，４，２番めの周波数信号が大きい。したがっ
て、振幅値情報に加えて、これらの選択された周波数信
号の周波数指標として４，４，２を、極性の情報とし
て、負、正、正を、伝送すれば、周波数信号を復号側で
再生することができる。このとき、前述の例と同様に、
振幅値としては、最大振幅値を元に１．０（ｉｎｄｅｘ
は３）、または、模擬する３つの周波数信号の振幅値の
平均値を元に０．６３０（ｉｎｄｅｘは５）を用いる。

【００４４】１ブロックの周波数信号を伝送するために
必要なビット数は、表５に示すように、ブロックの振幅
値情報用に６ビット、各グループにおいて４個の周波数
信号からいずれか一つを選択するための指標用に２ビッ
トと、選択した周波数信号の振幅の極性を表すために１
ビットを必要とする。したがって、合計１５ビットであ
り、前述の実施例よりも一層のビット量削減を可能とす
る。

【００４５】

【表５】

【００４６】１ブロックの周波数信号のグループへの分
割では、グループの分け方の例としては、第１グループ
には１，２，３，４番めの周波数信号を、第２番グルー
プには５，６，７，８番めの周波数信号を、第３番グル
ープには９，１０，１１，１２番めの周波数信号を割当
ててもよい。

【００４７】

【発明の効果】ブロック内の一部の周波数信号のみを符
号化および復号することが可能なパルス量子化部５０と
パルス逆量子化部８０を追加することにより、量子化に
必要ビット数を削減することができる。したがって、ブ
ロック内で一部の周波数信号が他の周波数信号より振幅
が大きい信号源に対しては、従来例より少ないビット量
で同じ符号化品質を達成することができ、符号化効率を
向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による符号化方式を示す図である。

【図２】本発明による復号方式を示す図である。

【図３】従来技術による符号化方式を示す図である。

【図４】従来技術による復号方式を示す図である。

【符号の説明】

１ 入力端子 ２ 信号変換部 ３ 分析部 ４ ビット割当て部 ５０ パルス量子化部 ５１ ３ステップ量子化部 ５２ ７ステップ量子化部 ５３ １５ステップ量子化部 ６ 多重化部 ７ 出力端子 １１ 入力端子 １２ 分離部 ８０ パルス逆量子化部 ８１ ３ステップ逆量子化部 ８２ ７ステップ逆量子化部 ８３ １５ステップ逆量子化部 １３ 信号逆変換部 １４ 出力端子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号を周波数信号に変換し複数個をま
   とめてブロックを形成する信号変換部と、入力信号と周
   波数信号を分析して許容誤差を求める分析部と、許容誤
   差を参照しながら各ブロックの周波数信号を量子化する
   ときに用いる量子化部を複数の量子化部から選択するた
   めの量子化部選択情報を出力する量子化部選択部と、量
   子化部選択情報にしたがって周波数信号を量子化して振
   幅情報と符号を計算する複数の量子化部と、振幅情報と
   符号と量子化部選択情報を多重化する多重化部と、から
   構成される符号化方式において、複数の量子化部がブロ
   ックのすべての周波数信号を符号化する量子化部とブロ
   ックの一部の周波数信号のみを符号化する量子化部とを
   それぞれ一つ以上含むことを特徴とする符号化方式。
2. 【請求項２】入力信号を振幅情報と符号と量子化部選択
   情報とに分離する分離部と、量子化部選択情報にしたが
   って振幅情報を用いて符号を逆量子化する複数の逆量子
   化部と、逆量子化部の出力をまとめて信号変換する信号
   逆変換部と、から構成される復号方式において、複数の
   逆量子化部がブロックのすべての周波数信号を復号する
   逆量子化部とブロックの一部の周波数信号のみを復号す
   る逆量子化部とをそれぞれ一つ以上含むことを特徴とす
   る復号方式。