JP4008607B2 - 音声符号化／復号化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル電話、ボイスメモなどに用いられる低レート音声符号化／復号化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話やインターネットなどで音声信号や楽音の情報を少ない情報量に圧縮して伝送または蓄積するための符号化技術として、ＣＥＬＰ方式(Code Excited Linear Prediction (M.R.Schroeder and B.S.Atal, "Code Excited Linear Prediction (CELP) : High Quality Speech at Very Low Bit Rates," Proc. ICASSP, pp.937-940, 1985 （文献１）がよく用いられている。
【０００３】
ＣＥＬＰ方式は線形予測分析に基づく符号化方式であり、入力音声信号は線形予測分析によって音韻情報を表す線形予測係数と、音の高さ等を表す予測残差信号に分けられる。線形予測係数を基に合成フィルタと呼ばれる再帰型のディジタルフィルタが構成され、この合成フィルタに予測残差信号を駆動信号として入力することで元の入力音声信号を復元することができる。低レートで符号化するためには、これらの線形予測係数と予測残差信号をより少ない情報量で符号化する必要がある。
【０００４】
ＣＥＬＰ方式では、予測残差信号をピッチベクトルと雑音ベクトルという２種類のベクトルにゲインを乗じて足し合わせることで得られる駆動信号を用いて近似する。雑音ベクトルは通常、多数の候補を符号帳に格納しておき、この中から最適なものを探索する方法で生成される。この探索には、全ての雑音ベクトルをピッチベクトルと合わせて合成フィルタに通すことで合成音声信号を生成し、この合成音声信号の歪み（入力音声信号に対する誤差）が最も小さい合成音声信号を生成する雑音ベクトル選ぶという方法がとられる。従って、如何に効率よく雑音ベクトルを符号帳に格納しておくかがＣＥＬＰ方式の重要なポイントになる。
【０００５】
このような要求に応えるものとして、雑音ベクトルを数個のパルスからなるパルス列で表現するパルス音源が知られている。文献２(K.Ozawa and T. Araseki, "Low Bit Rate Multi-pulse Speech Coder with Natural Speech Quality," IEEE Proc. ICASSP'86, pp.457-460, 1986)に開示されているマルチパルス方式などがその例である。
【０００６】
また、代数構造符号帳(Algebraic Codebook)(J-P.Adoul et al, "Fast CELP oding based on algebraic codes", Proc. ICASSP'87, pp.1957-1960（文献３）は、雑音ベクトルをパルスの有無と極性（＋，−）だけで表す簡単な構造である。マルチパルスと異なり、パルスの振幅が１という制限があるにも関わらず、音質がそれほど劣化しない点や、高速な探索方法が提案されている点から、近年低レート符号化で広く用いられている。さらに、代数構造符号帳を用いる方式には、文献４(Chang Deyuan, "An 8kb/s low complexity ACELP speech codec, "1996 3rd International Conference on Signal Processing, pp. 671-4, 1996)に示されているように、パルスに振幅をもたせる改良方式も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した各種のパルス音源では、パルスを配置するパルス位置候補が整数サンプル位置、つまり雑音ベクトルのサンプル点の位置に限定されているため、雑音ベクトルの性能を向上させるべくパルス位置候補に割り当てるビット数を増やそうとしても、フレーム内に含まれるサンプル数を表すのに必要なビット数以上のビットを割り当てることができないという問題がある。
【０００８】
また、特開平９−３５５７４８に開示されているようにパルス位置候補の適応化を行う場合においても、位置情報を表すビット数が多いときは、パルス位置侯補を分散させた箇所にもほとんどのサンプルにパルス位置候補が設定されてしまい、集中させた箇所との差が出にくくなり、適応化の効果が薄くなるという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、これらの問題点を解決し、フレーム内に含まれる駆動信号のサンプル数にかかわらずパルス位置情報に任意のビット数を割り当てることができ、音質の向上を可能とする音声符号化／復号化方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は合成フィルタを駆動する駆動信号の構成法に特徴を有する。すなわち、本発明に係る音声符号化／復号化方法では、駆動信号はパルス列により構成され、パルス列は駆動信号のサンプル点の位置に設定される第１のパルスおよび駆動信号のサンプル点とサンプル点との間の位置に設定される第２のパルスのいずれかから選択されたパルスを含んで構成される。
【００１１】
本発明に係る他の音声符号化／復号化方法では、駆動信号がピッチベクトルと雑音ベクトルから構成され、雑音ベクトルは雑音ベクトルのサンプル点の位置に設定される第１のパルスおよび雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との間の位置に設定される第２のパルスのいずれかから選択されたパルスを含むパルス列により構成される。
【００１２】
本発明に係る別の音声符号化／復号化方法では、同様に駆動信号がピッチベクトルと雑音ベクトルから構成され、雑音ベクトルはピッチベクトルの形状に基づいて適応化されるパルス位置候補から選ばれた所定数のパルス位置にパルスを配置することで生成されたパルス列を用いて構成される。そして、パルス位置候補は雑音ベクトルのサンプル点の位置に設定される第１のパルスおよび雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との間の位置に設定される第２のパルスのいずれかから選択されたパルスを含むパルス列により構成される。
【００１３】
従来の技術によるパルス音源では、パルス位置侯補数が駆動信号／雑音ベクトルのサンプル点の数以下に限定されていたのに対し、本発明ではこれにサンプル点とサンプル点との間の位置を加えることで、理論的には無限個のパルス位置候補数の設定が可能となる。その結果、サンプル数に無関係にパルス位置候補に多くの符号化ビットを割り当てることができるようになり、復号音声信号の音質向上、さらには符号化効率の改善が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
［符号化側について］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る音声信号符号化方法を適用した音声信号符号化システムの構成を示す。
【００１５】
この音声信号符号化システムは、入力端子１０１、ＬＰＣ分析部１０２、ＬＰＣ量子化部１０３、ＬＰＣ合成部１０４、パルス音源部１０５Ａ、利得乗算部１０６、減算部１０７および符号選択部１０８から構成される。また、パルス音源部１０５Ａは、パルス位置符号帳１１０、パルス位置選択部１１１、整数位置パルス生成部１１２、非整数位置パルス生成部１１３および切替部１１４，１１５から構成される。
【００１６】
入力端子１０１には、符号化すべき入力音声信号信号が１フレーム分の長さの単位で入力され、これに同期してＬＰＣ分析部１０２で線形予測分析が行われることにより、声道特性に相当する線形予測係数（ＬＰＣ係数）が求められる。ＬＰＣ係数はＬＰＣ量子化部１０３で量子化され、この量子化値がＬＰＣ合成部１０４に入力されると共に、量子化値を指し示すインデックスＡが符号化結果として図示しない多重化部へ出力される。
【００１７】
パルス音源部１０５Ａでは、符号選択部１０８から入力されたインデックス（コード）Ｃに従って、パルス位置選択部１１１でパルス位置符号帳１１０に格納されているパルス位置候補が選択される。ここで、パルス位置符号帳１１０には後に詳しく説明するように、駆動信号の整数サンプルにパルスを立てることを示す整数パルス位置と、非整数サンプルにパルスを立てることを示す非整数パルス位置が混在して格納されている。パルス位置選択部１１１が選択するパルス位置候補の数は通常予め決められており、１つあるいは数個である。
【００１８】
パルス位置選択部１１１は、選択したパルス位置候補が整数パルス位置か非整数パルス位置かに応じて切替部１１４，１１５を制御して、選択したパルス位置候補が整数パルス位置の場合は整数位置パルス生成部１１２によって生成された整数位置パルス（第１のパルス）が出力されるようにし、選択したパルス位置候補が非整数パルス位置の場合は非整数位置パルス生成部１１３によって生成された非整数位置パルス（第２のパルス）が出力されるようにする。このようにして得られた各パルスは、一系統のパルス列に合成されてパルス音源部１０５Ａから出力される。
【００１９】
パルス音源部１０５Ａから出力されるパルス列は、利得乗算部１０６で各パルス毎またはパルス列全体に対して、インデックスＧに対応して図示しない利得符号帳から選択された利得（極性も含む）が与えられた後、ＬＰＣ合成部１０４に入力される。ＬＰＣ合成部１０４は、合成フィルタと呼ばれる再帰型のディジタルフィルタにより構成され、入力されたパルス列から合成音声信号を生成する。この合成音声信号の歪み、つまり合成音声信号と入力音声信号との誤差が減算部１０７で求められ、符号選択部１０８に入力される。誤差の計算時には、通常、パルス列に与える利得は最適な値に設定される。
【００２０】
符号選択部１０８は、インデックスＣに対応してＬＰＣ合成部１０４で生成される合成音声信号の歪み（合成音声信号と入力音声信号との差）を評価して、これが最小となるインデックスＣを選択し、そのインデックスＣを図示しない利得符号帳を探索することで得られた利得を表すインデックスＧと共に図示しない多重化部へ出力する。
【００２１】
ここで、本実施形態の特徴はパルス音源部１０５Ａにおいて、パルス位置符号帳１１０に格納されるパルス位置候補に非整数パルス位置を追加した点と、これに対応して整数パルス位置生成部１１２に加えて非整数位置パルスを生成するための非整数位置パルス生成部１１３を追加している点である。以下、図２を用いて非整数位置パルスの生成方法を説明する。
【００２２】
図２（ａ）は通常用いられるパルス、つまり本実施形態で整数位置パルスと称しているパルスの生成法である。△印がパルス位置を示しており、太い矢印がその位置に立てられた整数位置パルス（第１のパルス）である。短い縦線は駆動信号のサンプル点を示しており、従来法ではパルス位置はこのサンプル点上にのみ設定されていた。
【００２３】
サンプリング定理に従えば、離散値ではパルス位置のみ値が存在し、その他が０という波形の連続値での表現は、図２（ａ）の破線で示された補間フィルタと呼ばれる波形と同一になる。この波形を駆動信号波形として、これを一定間隔のサンプル点でサンプリングすると、パルス位置以外のサンプル点では破線で示す駆動信号波形の値が０になっているため、パルス位置のみに値が存在する結果となっている。
【００２４】
図２（ｂ）は、本発明に基づく非整数位置パルス（第２のパルス）の生成法である。△印がパルス位置であり、サンプル点とサンプル点との間の位置この例ではサンプル点のちょうど中間の位置に設定されている。破線で示される波形は、このパルス位置に設定されるパルスの連続値での表現である。この波形を駆動信号波形として一定間隔のサンプル点でサンプリングすることで、離散値を得ることができる。このサンプリングされた値を太い矢印で示す。
【００２５】
本実施形態では、非整数位置パルスはパルス位置の前後のサンプル点に立つ複数のパルスのセットで表すことにする。破線の波形は無限の幅を持っているが、実現上有限の長さで打ち切り、数本のパルスのセットで表現する。打ち切る場合には、必要に応じてハミング窓などの適当な窓をかけることもある。パルスの数は多いほど打ち切る前の状態に近いので望ましいが、△印の両側のパルスのみからなる２本のパルスセットでも十分な性能が得られる。
【００２６】
図３に、パルス音源部１０５Ａから出力されるパルス列の例を示す。ＣＥＬＰ方式では、ＬＰＣ合成部の入力となる駆動信号は所定のフレーム（サブフレーム）長単位で生成される。本実施形態のようなパルス音源を用いる方式では、このサブフレーム内に数本のパルスを立てることで駆動信号が生成される。図３はフレーム長が２６で、パルス数が２の場合のパルス列を示している。図３の（１）が整数位置パルスであり、パルス位置は５である。また、図３の（２）が非整数位置パルスであり、パルス位置は１５．５である。非整数位置パルスは４本のパルスのセットで表している。
【００２７】
パルス音源部１０５Ａでは、インデックスＣで示されるパルス位置候補をパルス位置符号帳１１０から選び、パルス毎に整数位置パルス生成部１１２と非整数位置パルス生成部１１３を使い分け、図３に示したようなパルス列を生成する。パルス列は整数位置パルスのみで構成される場合や、非整数位置パルスのみで構成される場合もあり、最終的に目標ベクトルとの歪みが最小となるパルス位置候補が選ばれる。
【００２８】
このように整数位置パルスに加えて非整数位置パルスを用いることで、パルス位置符号帳１１０に格納し得るパルス位置候補の数が理論上は無限個となり、より精度の高いパルス位置の設定が可能となる。
［復号化側について］
次に、図４を用いて図１の音声符号化システムに対応する本実施形態に係る音声復号システムについて説明する。
【００２９】
この音声復号化システムは、ＬＰＣ逆量子化部２０３、ＬＰＣ合成部２０４、パルス音源部２０５Ａおよび利得乗算部１０３から構成される。また、パルス音源部２０５Ａは図１のパルス音源部１０５Ａと同様、パルス位置符号帳２１０、パルス位置選択部２１１、整数位置パルス生成部２１２、非整数位置パルス生成部２１３および切替部２１４，２１５から構成される。
【００３０】
この音声復号化システムには、図１の音声符号化システムから伝送されてきた符号化ストリームが入力される。この符号化ストリームは、図示しない逆多重化部によって前述したＬＰＣ合成部で用いられる量子化されたＬＰＣ係数を示すインデックスＡ、パルス音源部２０５Ａで生成されるパルス列の各パルスの位置情報を示すインデックスＣ、および図示しない利得符号帳の探索で選ばれた利得を示すインデックスＧに分離されて取り出される。
【００３１】
インデックスＡは、ＬＰＣ逆量子化部２０１で復号され、量子化ＬＰＣ係数が得られる。この量子化ＬＰＣ係数は、ＬＰＣ合成部２０４に合成フィルタの係数として与えられる。
【００３２】
インデックスＣは、パルス音源部２０５Ａのパルス位置選択部２１１に入力される。パルス音源部２０５Ａでは、図１のパルス音源部１０５Ａと同様に、インデックスＣに従ってパルス位置選択部２１１でパルス位置符号帳２１０に格納されている整数パルス位置と非整数パルス位置が混在したパルス位置候補が選択されると共に、パルス位置選択部２１１により選択されたパルス位置候補が整数パルス位置か非整数パルス位置かに応じて切替部２１４，２１５が制御される。
【００３３】
この結果、パルス位置選択部２１１が選択したパルス位置候補が整数パルス位置の場合は整数位置パルス生成部２１２によって生成された整数位置パルス、また選択したパルス位置候補が非整数パルス位置の場合は非整数位置パルス生成部２１３によって生成された非整数位置パルスがそれぞれ出力され、これらが一系統のパルス列に合成されてパルス音源部２０５Ａから出力される。
【００３４】
パルス音源部２０５Ａから出力されるパルス列は、利得乗算部２０６で各パルス毎またはパルス列全体に対してインデックスＧに従って図示しない利得符号帳から得られた利得が与えられた後、ＬＰＣ合成部２０４に入力される。ＬＰＣ合成部２０４は、図１の合成フィルタ１０４と同様に合成フィルタによって構成され、入力されたパルス列から合成音声信号（復号音声信号）を生成する。
【００３５】
このように本実施形態によれば、合成フィルタを駆動するための駆動信号を構成するパルス列に、従来の整数位置パルスに加えて非整数位置パルスを用いることで、パルス位置符号帳１１０，２１０に格納し得るパルス位置候補の数が理論上は無限個となるため、パルス位置候補により多くの符号化ビットを割り当てることが可能となり、高音質な音声符号化／復号化を実現することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
［符号化側について］
図５に、本発明の第２の実施形態に係る音声符号化方法を適用した音声符号化システムの構成を示す。
【００３７】
この音声符号化システムは、ＬＰＣ合成部１０４の合成フィルタを駆動するための駆動信号をピッチベクトルと雑音ベクトルにより構成する場合の例である。図５において図１と相対応する部分に同一符号を付して説明すると、この音声符号化システムは、図１に示した第１の実施形態の音声符号化システムに、聴覚重み付け部１２１、適応符号帳１２２、パルス位置候補探索部１２３、利得乗算部１２４、入力端子１２５、ピッチフィルタ１２６および加算部１２７が加わり、さらにパルス音源部１０５Ｂにおいて図１のパルス位置符号帳１１０が適応パルス位置符号帳１２０に置き換わった構成になっている。
【００３８】
入力端子１０１に符号化すべき入力音声信号が１フレーム分の長さの単位で入力され、第１の実施形態の音声符号化システムと同様にしてＬＰＣ分析部１０２およびＬＰＣ量子化部１０３を介して量子化されたＬＰＣ係数が生成されると共に、そのインデックスＡが出力される。
【００３９】
ＬＰＣ係数の量子化値からＬＰＣ合成部１０４で合成された合成音声信号と入力音声信号との差が減算部１０７で求められ、聴覚重み付け部１２１で聴覚重み付けがなされた後、符号選択部１０８に入力される。この符号選択部１０８によって、聴覚重み付け部１２１で重み付けがなされた後の合成音声信号と入力音声信号との差のパワが最小となるピッチベクトルが選ばれる。なお、音声の立上り部などではピッチベクトルの代わりに固定の符号帳から得られた符号ベクトルが用いられることもあるが、本発明ではこれらをまとめてピッチベクトルと呼ぶことにする。
【００４０】
適応符号帳１２２には、過去にＬＰＣ合成部１０４に入力された駆動信号のピッチベクトルが格納されており、符号選択部１０８からのインデックスＢに従って一つのピッチベクトルが選択される。適応符号帳１２２から選択されたピッチベクトルは、利得乗算部１２４でインデックスＧ０に従って図示しない利得符号帳から得られた利得が乗じられた後、加算部１２７に入力される。
【００４１】
パルス位置候補探索部１２３では、適応符号帳１２２から選択されたピッチベクトルの形状に基づいて適応化された、サブフレーム内のパルス位置候補が生成される。パルス位置候補に割り当てるビット数が少ない場合は、サブフレーム内の全てのサンプルをパルス位置候補とするにはビット数が不足してしまう。そこで、本実施形態では特開平９−３５５７４８に開示されている方法を用いて効率の良いパルス位置を選択する。このとき、本発明に従いパルス位置候補に整数パルス位置だけでなく非整数パルス位置を含めることにより、パルス位置候補の適応化がより効果的となる。
【００４２】
適応パルス位置符号帳１２０は、このようにして得られたパルス位置候補が格納されている。この適応パルス位置符号帳１２０には、サブフレーム内の一部のパルス位置（非整数パルス位置を含む）しか格納されていないが、これらはピッチベクトルの形状に基づいて適応化された少数の候補であるため、低ビットレートで高音質な合成音声信号が得られる。
【００４３】
パルス音源部１０５Ｂでは、第１の実施形態の音声符号化システムと同様の手法でパルス列が出力され、このパルス列は必要に応じてピッチフィルタ１２６により、入力端子１２５に与えられたピッチ周期Ｌの情報に従ってピッチ周期化される。
【００４４】
パルス音源部１０５Ｂから出力されかつ必要に応じてピッチフィルタ１２６によってピッチ周期化されたパルス列は、利得乗算部１０６でインデックスＧ１により図示しない利得符号帳から得られた利得が乗じられた後、加算部１２７に入力され、この加算部１２７で適応符号帳１２２から選択されかつ利得乗算部１２４で利得が乗じられたピッチベクトルと加算される。そして、この加算部１２７の出力信号がＬＰＣ合成部１０４に合成フィルタの駆動信号として与えられる。
【００４５】
本実施形態の特徴は、上述したようにパルス位置候補探索部１２２において整数パルス位置候補のみならず非整数パルス位置候補をも含むパルス位置候補をピッチベクトルの形状に基づいて適応化することにより、特開平９−３５５７４８に開示されている整数パルス位置候補のみからなるパルス位置候補を適応化する場合に比べて、適応化の効果が大きく向上する点である。以下、図６を用いてこの効果を説明する。
【００４６】
図６（ａ）は整数パルス位置候補のみを含むパルス位置候補の適応化方法（従来法）を示し、図６（ｂ）は整数パルス位置候補に加えて非整数パルス位置候補を含むパルス位置候補を適応化する本実施形態の適応化方法を示している。短い縦線がサンプル点、Δ印が適応化で選ばれたパルス位置候補、波形はピッチベクトルの振幅包絡を示している。いずれもサブフレーム内のサンプル点の数は１６個、パルス位置候補の数は１０個である。
【００４７】
図６（ａ）では、ピッチベクトルのパワの集中している近辺にパルス位置候補が集中しているが、パルス位置候補の数が１０個と多いため、ピッチベクトルのパワが集中している点とそこからやや離れてパワが大きく減少している点に、同等の密度でパルス位置候補が配置される飽和現象が発生している。その結果、振幅包絡の形状とパルス位置候補の配置の具合にずれが生じ、適応化の効果が薄れるという問題がある。
【００４８】
これに対し、図６（ｂ）は整数パルス位置に加えて１／２サンプル点の非整数パルス位置を含むパルス位置候補に対して適応化を行った場合である。パワの集中点にパルス位置候補が集中し、パワの減少とともにパルス位置候補が減少する配置が可能となり、適応化が効率良く機能することが分かる。このようにパルス位置候補の数が多い場合は、本発明による非整数パルス位置を用いることで、パルス位置候補数の飽和現象を解決でき、適応化の効果を最大限に引き出すことが可能になる。
［復号化側について］
次に、図７を用いて図５の音声符号化システムに対応する本実施形態に係る音声復号システムについて説明する。
【００４９】
図４と同一機能を有する部分に同一符号を付して説明すると、図７の音声復号化システムは、ＬＰＣ逆量子化部２０３、ＬＰＣ合成部２０４、パルス音源部２０５Ｂ、利得乗算部２０６、適応符号帳２２２、パルス位置候補探索部２２３、ピッチ周期情報の入力端子２２５、ピッチフィルタ２２６および加算部２２７から構成される。また、パルス音源部２０５Ｂは、図５のパルス音源部１０５Ｂと同様、適応パルス位置符号帳２２０、パルス位置選択部２１１、整数位置パルス生成部２１２、非整数位置パルス生成部２１３および切替部２１４，２１５から構成される。
【００５０】
この音声復号化システムには、図５の音声符号化システムから伝送されてきた符号化ストリームが入力される。この符号化ストリームは、図示しない逆多重化部によって前述したＬＰＣ合成部で用いられる量子化されたＬＰＣ係数を示すインデックスＡ、パルス音源部２０５Ｂで生成されるパルス列の各パルスの位置情報を示すインデックスＣ、および図示しない利得符号帳の探索で選ばれた利得を示すインデックスＧ０，Ｇ１に分離されて取り出される。
【００５１】
インデックスＡは、ＬＰＣ逆量子化部２０１で復号され、量子化ＬＰＣ係数が得られる。この量子化ＬＰＣ係数は、ＬＰＣ合成部２０４に合成フィルタの係数として与えられる。
【００５２】
インデックスＣは、パルス音源部２０５Ｂのパルス位置選択部２１１に入力される。パルス音源部２０５Ｂでは、図５のパルス音源部１０５Ｂと同様に、インデックスＣに従ってパルス位置選択部２１１で適応パルス位置符号帳２２０に格納されている整数パルス位置と非整数パルス位置が混在したパルス位置候補が選択されるとともに、パルス位置選択部２１１により選択されたパルス位置候補が整数パルス位置か非整数パルス位置かに応じて切替部２１４，２１５が制御される。
【００５３】
この結果、パルス位置選択部２１１が選択したパルス位置候補が整数パルス位置の場合は整数位置パルス生成部２１２によって生成された整数位置パルス、また選択したパルス位置候補が非整数パルス位置の場合は非整数位置パルス生成部２１３によって生成された非整数位置パルスがそれぞれ出力され、これらが一系統のパルス列に合成されてパルス音源部２０５Ｂから出力される。
【００５４】
パルス音源部２０５Ｂから出力されるパルス列は、必要に応じてピッチフィルタ２２６により入力端子２２５に与えられたピッチ周期Ｌの情報に従ってピッチ周期化され、さらに利得乗算部２０６で各パルス毎またはパルス列全体に対してインデックスＧ１に従って図示しない利得符号帳から得られた利得が与えられた後、加算部２２７に入力され、この加算部２２７で適応符号帳２２２から選択されかつ利得乗算部２２４でインデックスＧ０に従って図示しない利得符号帳から得られた利得が乗じられたピッチベクトルと加算される。そして、この加算部２２７の出力信号がＬＰＣ合成部２０４に合成フィルタの駆動信号として与えられることにより、合成音声信号（復号音声信号）が生成される。
【００５５】
このように本実施形態によれば、非整数パルス位置候補を含むパルス位置候補をピッチベクトルの形状に基づき適応化することで、ピッチベクトルの形状により忠実なパルス位置候補の配置が可能となり、パルス位置候補数の飽和現象が解決されるため、高音質な符号化／復号化を実現することができる。この効果はパルス位置候補数が多い場合、特に顕著になる。
【００５６】
（第３の実施形態）
［符号化側について］
図８に、本発明の第３の実施形態に係る音声符号化方法を適用した音声符号化システムの構成を示す。この音声符号化システムは、図５に示した音声符号化システムと機能的には同じであるが、具体的な実現手段が異なっている。
【００５７】
図８において、図５と相対応する部分に同一符号を付して説明すると、この音声符号化システムは、パルス音源部１０５Ｃが適応パルス位置符号帳１２０、パルス生成部１３１、ダウンサンプリング部１３２およびパルス位置選択部１１１で構成され、さらにパルス位置候補探索部１２３に代えてマルチレートパルス位置候補探索部１３３を用いる点が図５に示した第２の実施形態の音声符号化システムと異なる。
【００５８】
マルチレートパルス位置候補探索部１３３は、雑音ベクトルをアップサンプリングしたパルス位置候補を出力する。すなわち、１／Ｎサンプルまでの非整数パルス位置候補を扱う場合、マルチレートパルス位置候補探索部１３３はＮ倍のアップサンプリングを行って非整数パルス位置候補を整数パルス位置候補に変換する。フレーム内の雑音ベクトルのサンプル点の数がＭの場合、図５のパルス位置候補探索部１２３は０〜Ｍ−１の範囲の１／Ｎ刻みの整数パルス位置または非整数パルス位置を出力するのに対し、マルチレートパルス位置候補探索部１３３では０〜ＮＭ−１の範囲の整数パルス位置を出力することになる。
【００５９】
この結果、適応パルス位置符号帳１２０に格納されるパルス位置候補は、全て整数値となるが、実際のパルス位置をＮ倍した値となる。パルス生成部１３１では、適応パルス位置符号帳１２０から取り出されたパルス位置候補を受けてＮ倍のアップサンプリングがされている状態でパルスを立てることにより、長さがＮＭのパルス列を得る。ダウンサンプリング部１３２では、これを１／Ｎ倍にダウンサンプリングして長さＭのパルス列を得る。
【００６０】
本実施形態では、パルス生成部１３１から出力されるアップサンプリングされた状態で配置されたパルスは、最終的にダウンサンプリング部１３２でダウンサンプリングされて間引かれる。前述した第２の実施形態は、この間引かれたパルスを非整数パルス位置に対応するパルスのセットとして予め用意しておき、実際にアップサンプリングの処理を行わずとも等価な結果を得るものである。しかしながら、プログラムの構成等により本実施形態のように実際にアップサンプリングを行った方が見通しが良い場合もある。
【００６１】
マルチレートパルス位置候補探索部１３３で整数化されたパルス位置候補を出力する別の方法として、ピッチベクトルをアップサンプリングした後、整数パルス位置のみを用いるパルス位置適応化を行っても同等の結果が得られるなど、様々な処理方法を用いることが可能である。
［復号化側について］
図９は、図８の音声符号化システムに対応する本実施形態の音声復号化システムの構成を示す図であり、パルス音源部２０５Ｃが図８のパルス音源部１０５Ｃと同様に適応パルス位置符号帳２２０、パルス生成部２３１、ダウンサンプリング部２３２およびパルス位置選択部２１１で構成され、さらにパルス位置候補探索部２２３に代えてマルチレートパルス位置候補探索部２３３を用いる点が図７に示した音声復号化システムと異なる。
【００６２】
この音声復号化システムのより詳しい構成と動作は、図７の音声復号化システムと図８の音声符号化システムの説明から自明であるため、説明は省略する。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれぱ合成フィルタの駆動信号を構成するパルス列を生成する際に、フレーム内のサンプル点の数に関係なく多くのパルス位置候補を用いることが可能となり、高音質な符号化／復号化を実現できる。
【００６４】
また、パルス位置候補の適応化を行う場合、ピッチベクトルの形状により忠実なパルス位置候補の配置を可能とすることによって、パルス位置候補数の飽和現象の問題を解決し、より高音質な音声符号化／復号化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る音声符号化システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明における非整数位置パルスの生成法を示す図
【図３】本発明におけるパルス音源部から出力されるパルス列の例を示す図
【図４】本発明の第１の実施形態に係る音声復号化システムの構成を示すブロック図
【図５】本発明の第２の実施形態に係る音声符号化システムの構成を示すブロック図
【図６】第２の実施形態における非整数パルス位置を用いたパルス位置候補の適応化の様子を示す図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る音声復号化システムの構成を示すブロック図
【図８】本発明の第３の実施形態に係る音声符号化システムの構成を示すブロック図
【図９】本発明の第３の実施形態に係る音声復号化システムの構成を示すブロック図
【符号の説明】
１０１…音声信号入力端子
１０２…ＬＰＣ分析部
１０３…ＬＰＣ量子化部
１０４…ＬＰＣ合成部
１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ…パルス音源部
１０６…利得乗算部
１０７…減算部
１０８…符号選択部
１１０…パルス位置符号帳
１１１…パルス位置選択部
１１２…整数位置パルス生成部
１１３…非整数位置パルス生成部
１１４，１１５…切替部
１２０…適応パルス位置符号帳
１２１…聴覚重み付け部
１２２…適応符号帳
１２３…パルス位置候補探索部
１２４…利得乗算部
１２５…ピッチ周期情報入力端子
１２６…ピッチフィルタ
１２７…加算部
１３１…パルス生成部
１３２…ダウンサンプリング部
１３３…マルチレートパルス位置候補探索部
２０３…ＬＰＣ逆量子化部
２０４…ＬＰＣ合成部
２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃ…パルス音源部
２０６…利得乗算部
２１０…パルス位置符号帳
２１１…パルス位置選択部
２１２…整数位置パルス生成部
２１３…非整数位置パルス生成部
２１４，２１５…切替部
２２０…適応パルス位置符号帳
２２２…適応符号帳
２２３…パルス位置候補探索部
２２４…利得乗算部
２２５…ピッチ周期情報入力端子
２２６…ピッチフィルタ
２２７…加算部
２３１…パルス生成部
２３２…ダウンサンプリング部
２３３…マルチレートパルス位置候補探索部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル電話、ボイスメモなどに用いられる低レート音声符号化／復号化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話やインターネットなどで音声信号や楽音の情報を少ない情報量に圧縮して伝送または蓄積するための符号化技術として、ＣＥＬＰ方式(Code Excited Linear Prediction (M.R.Schroeder and B.S.Atal, "Code Excited Linear Prediction (CELP) : High Quality Speech at Very Low Bit Rates," Proc. ICASSP, pp.937-940, 1985 （文献１）がよく用いられている。
【０００３】
ＣＥＬＰ方式は線形予測分析に基づく符号化方式であり、入力音声信号は線形予測分析によって音韻情報を表す線形予測係数と、音の高さ等を表す予測残差信号に分けられる。線形予測係数を基に合成フィルタと呼ばれる再帰型のディジタルフィルタが構成され、この合成フィルタに予測残差信号を駆動信号として入力することで元の入力音声信号を復元することができる。低レートで符号化するためには、これらの線形予測係数と予測残差信号をより少ない情報量で符号化する必要がある。
【０００４】
ＣＥＬＰ方式では、予測残差信号をピッチベクトルと雑音ベクトルという２種類のベクトルにゲインを乗じて足し合わせることで得られる駆動信号を用いて近似する。雑音ベクトルは通常、多数の候補を符号帳に格納しておき、この中から最適なものを探索する方法で生成される。この探索には、全ての雑音ベクトルをピッチベクトルと合わせて合成フィルタに通すことで合成音声信号を生成し、この合成音声信号の歪み（入力音声信号に対する誤差）が最も小さい合成音声信号を生成する雑音ベクトル選ぶという方法がとられる。従って、如何に効率よく雑音ベクトルを符号帳に格納しておくかがＣＥＬＰ方式の重要なポイントになる。
【０００５】
このような要求に応えるものとして、雑音ベクトルを数個のパルスからなるパルス列で表現するパルス音源が知られている。文献２(K.Ozawa and T. Araseki, "Low Bit Rate Multi-pulse Speech Coder with Natural Speech Quality," IEEE Proc. ICASSP'86, pp.457-460, 1986)に開示されているマルチパルス方式などがその例である。
【０００６】
また、代数構造符号帳(Algebraic Codebook)(J-P.Adoul et al, "Fast CELP oding based on algebraic codes", Proc. ICASSP'87, pp.1957-1960（文献３）は、雑音ベクトルをパルスの有無と極性（＋，−）だけで表す簡単な構造である。マルチパルスと異なり、パルスの振幅が１という制限があるにも関わらず、音質がそれほど劣化しない点や、高速な探索方法が提案されている点から、近年低レート符号化で広く用いられている。さらに、代数構造符号帳を用いる方式には、文献４(Chang Deyuan, "An 8kb/s low complexity ACELP speech codec, "1996 3rd International Conference on Signal Processing, pp. 671-4, 1996)に示されているように、パルスに振幅をもたせる改良方式も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した各種のパルス音源では、パルスを配置するパルス位置候補が整数サンプル位置、つまり雑音ベクトルのサンプル点の位置に限定されているため、雑音ベクトルの性能を向上させるべくパルス位置候補に割り当てるビット数を増やそうとしても、フレーム内に含まれるサンプル数を表すのに必要なビット数以上のビットを割り当てることができないという問題がある。
【０００８】
また、特開平９−３５５７４８に開示されているようにパルス位置候補の適応化を行う場合においても、位置情報を表すビット数が多いときは、パルス位置侯補を分散させた箇所にもほとんどのサンプルにパルス位置候補が設定されてしまい、集中させた箇所との差が出にくくなり、適応化の効果が薄くなるという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、これらの問題点を解決し、フレーム内に含まれる駆動信号のサンプル数にかかわらずパルス位置情報に任意のビット数を割り当てることができ、音質の向上を可能とする音声符号化／復号化方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は合成フィルタを駆動する駆動信号の構成法に特徴を有する。すなわち、本発明に係る音声符号化／復号化方法では、駆動信号はパルス列により構成され、パルス列は駆動信号のサンプル点の位置に設定される第１のパルスおよび駆動信号のサンプル点とサンプル点との間の位置に設定される第２のパルスのいずれかから選択されたパルスを含んで構成される。
【００１１】
本発明に係る他の音声符号化／復号化方法では、駆動信号がピッチベクトルと雑音ベクトルから構成され、雑音ベクトルは雑音ベクトルのサンプル点の位置に設定される第１のパルスおよび雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との間の位置に設定される第２のパルスのいずれかから選択されたパルスを含むパルス列により構成される。
【００１２】
本発明に係る別の音声符号化／復号化方法では、同様に駆動信号がピッチベクトルと雑音ベクトルから構成され、雑音ベクトルはピッチベクトルの形状に基づいて適応化されるパルス位置候補から選ばれた所定数のパルス位置にパルスを配置することで生成されたパルス列を用いて構成される。そして、パルス位置候補は雑音ベクトルのサンプル点の位置に設定される第１のパルスおよび雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との間の位置に設定される第２のパルスのいずれかから選択されたパルスを含むパルス列により構成される。
【００１３】
従来の技術によるパルス音源では、パルス位置侯補数が駆動信号／雑音ベクトルのサンプル点の数以下に限定されていたのに対し、本発明ではこれにサンプル点とサンプル点との間の位置を加えることで、理論的には無限個のパルス位置候補数の設定が可能となる。その結果、サンプル数に無関係にパルス位置候補に多くの符号化ビットを割り当てることができるようになり、復号音声信号の音質向上、さらには符号化効率の改善が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
［符号化側について］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る音声信号符号化方法を適用した音声信号符号化システムの構成を示す。
【００１５】
この音声信号符号化システムは、入力端子１０１、ＬＰＣ分析部１０２、ＬＰＣ量子化部１０３、ＬＰＣ合成部１０４、パルス音源部１０５Ａ、利得乗算部１０６、減算部１０７および符号選択部１０８から構成される。また、パルス音源部１０５Ａは、パルス位置符号帳１１０、パルス位置選択部１１１、整数位置パルス生成部１１２、非整数位置パルス生成部１１３および切替部１１４，１１５から構成される。
【００１６】
入力端子１０１には、符号化すべき入力音声信号信号が１フレーム分の長さの単位で入力され、これに同期してＬＰＣ分析部１０２で線形予測分析が行われることにより、声道特性に相当する線形予測係数（ＬＰＣ係数）が求められる。ＬＰＣ係数はＬＰＣ量子化部１０３で量子化され、この量子化値がＬＰＣ合成部１０４に入力されると共に、量子化値を指し示すインデックスＡが符号化結果として図示しない多重化部へ出力される。
【００１７】
パルス音源部１０５Ａでは、符号選択部１０８から入力されたインデックス（コード）Ｃに従って、パルス位置選択部１１１でパルス位置符号帳１１０に格納されているパルス位置候補が選択される。ここで、パルス位置符号帳１１０には後に詳しく説明するように、駆動信号の整数サンプルにパルスを立てることを示す整数パルス位置と、非整数サンプルにパルスを立てることを示す非整数パルス位置が混在して格納されている。パルス位置選択部１１１が選択するパルス位置候補の数は通常予め決められており、１つあるいは数個である。
【００１８】
パルス位置選択部１１１は、選択したパルス位置候補が整数パルス位置か非整数パルス位置かに応じて切替部１１４，１１５を制御して、選択したパルス位置候補が整数パルス位置の場合は整数位置パルス生成部１１２によって生成された整数位置パルス（第１のパルス）が出力されるようにし、選択したパルス位置候補が非整数パルス位置の場合は非整数位置パルス生成部１１３によって生成された非整数位置パルス（第２のパルス）が出力されるようにする。このようにして得られた各パルスは、一系統のパルス列に合成されてパルス音源部１０５Ａから出力される。
【００１９】
パルス音源部１０５Ａから出力されるパルス列は、利得乗算部１０６で各パルス毎またはパルス列全体に対して、インデックスＧに対応して図示しない利得符号帳から選択された利得（極性も含む）が与えられた後、ＬＰＣ合成部１０４に入力される。ＬＰＣ合成部１０４は、合成フィルタと呼ばれる再帰型のディジタルフィルタにより構成され、入力されたパルス列から合成音声信号を生成する。この合成音声信号の歪み、つまり合成音声信号と入力音声信号との誤差が減算部１０７で求められ、符号選択部１０８に入力される。誤差の計算時には、通常、パルス列に与える利得は最適な値に設定される。
【００２０】
符号選択部１０８は、インデックスＣに対応してＬＰＣ合成部１０４で生成される合成音声信号の歪み（合成音声信号と入力音声信号との差）を評価して、これが最小となるインデックスＣを選択し、そのインデックスＣを図示しない利得符号帳を探索することで得られた利得を表すインデックスＧと共に図示しない多重化部へ出力する。
【００２１】
ここで、本実施形態の特徴はパルス音源部１０５Ａにおいて、パルス位置符号帳１１０に格納されるパルス位置候補に非整数パルス位置を追加した点と、これに対応して整数パルス位置生成部１１２に加えて非整数位置パルスを生成するための非整数位置パルス生成部１１３を追加している点である。以下、図２を用いて非整数位置パルスの生成方法を説明する。
【００２２】
図２（ａ）は通常用いられるパルス、つまり本実施形態で整数位置パルスと称しているパルスの生成法である。△印がパルス位置を示しており、太い矢印がその位置に立てられた整数位置パルス（第１のパルス）である。短い縦線は駆動信号のサンプル点を示しており、従来法ではパルス位置はこのサンプル点上にのみ設定されていた。
【００２３】
サンプリング定理に従えば、離散値ではパルス位置のみ値が存在し、その他が０という波形の連続値での表現は、図２（ａ）の破線で示された補間フィルタと呼ばれる波形と同一になる。この波形を駆動信号波形として、これを一定間隔のサンプル点でサンプリングすると、パルス位置以外のサンプル点では破線で示す駆動信号波形の値が０になっているため、パルス位置のみに値が存在する結果となっている。
【００２４】
図２（ｂ）は、本発明に基づく非整数位置パルス（第２のパルス）の生成法である。△印がパルス位置であり、サンプル点とサンプル点との間の位置この例ではサンプル点のちょうど中間の位置に設定されている。破線で示される波形は、このパルス位置に設定されるパルスの連続値での表現である。この波形を駆動信号波形として一定間隔のサンプル点でサンプリングすることで、離散値を得ることができる。このサンプリングされた値を太い矢印で示す。
【００２５】
本実施形態では、非整数位置パルスはパルス位置の前後のサンプル点に立つ複数のパルスのセットで表すことにする。破線の波形は無限の幅を持っているが、実現上有限の長さで打ち切り、数本のパルスのセットで表現する。打ち切る場合には、必要に応じてハミング窓などの適当な窓をかけることもある。パルスの数は多いほど打ち切る前の状態に近いので望ましいが、△印の両側のパルスのみからなる２本のパルスセットでも十分な性能が得られる。
【００２６】
図３に、パルス音源部１０５Ａから出力されるパルス列の例を示す。ＣＥＬＰ方式では、ＬＰＣ合成部の入力となる駆動信号は所定のフレーム（サブフレーム）長単位で生成される。本実施形態のようなパルス音源を用いる方式では、このサブフレーム内に数本のパルスを立てることで駆動信号が生成される。図３はフレーム長が２６で、パルス数が２の場合のパルス列を示している。図３の（１）が整数位置パルスであり、パルス位置は５である。また、図３の（２）が非整数位置パルスであり、パルス位置は１５．５である。非整数位置パルスは４本のパルスのセットで表している。
【００２７】
パルス音源部１０５Ａでは、インデックスＣで示されるパルス位置候補をパルス位置符号帳１１０から選び、パルス毎に整数位置パルス生成部１１２と非整数位置パルス生成部１１３を使い分け、図３に示したようなパルス列を生成する。パルス列は整数位置パルスのみで構成される場合や、非整数位置パルスのみで構成される場合もあり、最終的に目標ベクトルとの歪みが最小となるパルス位置候補が選ばれる。
【００２８】
このように整数位置パルスに加えて非整数位置パルスを用いることで、パルス位置符号帳１１０に格納し得るパルス位置候補の数が理論上は無限個となり、より精度の高いパルス位置の設定が可能となる。
［復号化側について］
次に、図４を用いて図１の音声符号化システムに対応する本実施形態に係る音声復号システムについて説明する。
【００２９】
この音声復号化システムは、ＬＰＣ逆量子化部２０３、ＬＰＣ合成部２０４、パルス音源部２０５Ａおよび利得乗算部１０３から構成される。また、パルス音源部２０５Ａは図１のパルス音源部１０５Ａと同様、パルス位置符号帳２１０、パルス位置選択部２１１、整数位置パルス生成部２１２、非整数位置パルス生成部２１３および切替部２１４，２１５から構成される。
【００３０】
この音声復号化システムには、図１の音声符号化システムから伝送されてきた符号化ストリームが入力される。この符号化ストリームは、図示しない逆多重化部によって前述したＬＰＣ合成部で用いられる量子化されたＬＰＣ係数を示すインデックスＡ、パルス音源部２０５Ａで生成されるパルス列の各パルスの位置情報を示すインデックスＣ、および図示しない利得符号帳の探索で選ばれた利得を示すインデックスＧに分離されて取り出される。
【００３１】
インデックスＡは、ＬＰＣ逆量子化部２０１で復号され、量子化ＬＰＣ係数が得られる。この量子化ＬＰＣ係数は、ＬＰＣ合成部２０４に合成フィルタの係数として与えられる。
【００３２】
インデックスＣは、パルス音源部２０５Ａのパルス位置選択部２１１に入力される。パルス音源部２０５Ａでは、図１のパルス音源部１０５Ａと同様に、インデックスＣに従ってパルス位置選択部２１１でパルス位置符号帳２１０に格納されている整数パルス位置と非整数パルス位置が混在したパルス位置候補が選択されると共に、パルス位置選択部２１１により選択されたパルス位置候補が整数パルス位置か非整数パルス位置かに応じて切替部２１４，２１５が制御される。
【００３３】
この結果、パルス位置選択部２１１が選択したパルス位置候補が整数パルス位置の場合は整数位置パルス生成部２１２によって生成された整数位置パルス、また選択したパルス位置候補が非整数パルス位置の場合は非整数位置パルス生成部２１３によって生成された非整数位置パルスがそれぞれ出力され、これらが一系統のパルス列に合成されてパルス音源部２０５Ａから出力される。
【００３４】
パルス音源部２０５Ａから出力されるパルス列は、利得乗算部２０６で各パルス毎またはパルス列全体に対してインデックスＧに従って図示しない利得符号帳から得られた利得が与えられた後、ＬＰＣ合成部２０４に入力される。ＬＰＣ合成部２０４は、図１の合成フィルタ１０４と同様に合成フィルタによって構成され、入力されたパルス列から合成音声信号（復号音声信号）を生成する。
【００３５】
このように本実施形態によれば、合成フィルタを駆動するための駆動信号を構成するパルス列に、従来の整数位置パルスに加えて非整数位置パルスを用いることで、パルス位置符号帳１１０，２１０に格納し得るパルス位置候補の数が理論上は無限個となるため、パルス位置候補により多くの符号化ビットを割り当てることが可能となり、高音質な音声符号化／復号化を実現することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
［符号化側について］
図５に、本発明の第２の実施形態に係る音声符号化方法を適用した音声符号化システムの構成を示す。
【００３７】
この音声符号化システムは、ＬＰＣ合成部１０４の合成フィルタを駆動するための駆動信号をピッチベクトルと雑音ベクトルにより構成する場合の例である。図５において図１と相対応する部分に同一符号を付して説明すると、この音声符号化システムは、図１に示した第１の実施形態の音声符号化システムに、聴覚重み付け部１２１、適応符号帳１２２、パルス位置候補探索部１２３、利得乗算部１２４、入力端子１２５、ピッチフィルタ１２６および加算部１２７が加わり、さらにパルス音源部１０５Ｂにおいて図１のパルス位置符号帳１１０が適応パルス位置符号帳１２０に置き換わった構成になっている。
【００３８】
入力端子１０１に符号化すべき入力音声信号が１フレーム分の長さの単位で入力され、第１の実施形態の音声符号化システムと同様にしてＬＰＣ分析部１０２およびＬＰＣ量子化部１０３を介して量子化されたＬＰＣ係数が生成されると共に、そのインデックスＡが出力される。
【００３９】
ＬＰＣ係数の量子化値からＬＰＣ合成部１０４で合成された合成音声信号と入力音声信号との差が減算部１０７で求められ、聴覚重み付け部１２１で聴覚重み付けがなされた後、符号選択部１０８に入力される。この符号選択部１０８によって、聴覚重み付け部１２１で重み付けがなされた後の合成音声信号と入力音声信号との差のパワが最小となるピッチベクトルが選ばれる。なお、音声の立上り部などではピッチベクトルの代わりに固定の符号帳から得られた符号ベクトルが用いられることもあるが、本発明ではこれらをまとめてピッチベクトルと呼ぶことにする。
【００４０】
適応符号帳１２２には、過去にＬＰＣ合成部１０４に入力された駆動信号のピッチベクトルが格納されており、符号選択部１０８からのインデックスＢに従って一つのピッチベクトルが選択される。適応符号帳１２２から選択されたピッチベクトルは、利得乗算部１２４でインデックスＧ０に従って図示しない利得符号帳から得られた利得が乗じられた後、加算部１２７に入力される。
【００４１】
パルス位置候補探索部１２３では、適応符号帳１２２から選択されたピッチベクトルの形状に基づいて適応化された、サブフレーム内のパルス位置候補が生成される。パルス位置候補に割り当てるビット数が少ない場合は、サブフレーム内の全てのサンプルをパルス位置候補とするにはビット数が不足してしまう。そこで、本実施形態では特開平９−３５５７４８に開示されている方法を用いて効率の良いパルス位置を選択する。このとき、本発明に従いパルス位置候補に整数パルス位置だけでなく非整数パルス位置を含めることにより、パルス位置候補の適応化がより効果的となる。
【００４２】
適応パルス位置符号帳１２０は、このようにして得られたパルス位置候補が格納されている。この適応パルス位置符号帳１２０には、サブフレーム内の一部のパルス位置（非整数パルス位置を含む）しか格納されていないが、これらはピッチベクトルの形状に基づいて適応化された少数の候補であるため、低ビットレートで高音質な合成音声信号が得られる。
【００４３】
パルス音源部１０５Ｂでは、第１の実施形態の音声符号化システムと同様の手法でパルス列が出力され、このパルス列は必要に応じてピッチフィルタ１２６により、入力端子１２５に与えられたピッチ周期Ｌの情報に従ってピッチ周期化される。
【００４４】
パルス音源部１０５Ｂから出力されかつ必要に応じてピッチフィルタ１２６によってピッチ周期化されたパルス列は、利得乗算部１０６でインデックスＧ１により図示しない利得符号帳から得られた利得が乗じられた後、加算部１２７に入力され、この加算部１２７で適応符号帳１２２から選択されかつ利得乗算部１２４で利得が乗じられたピッチベクトルと加算される。そして、この加算部１２７の出力信号がＬＰＣ合成部１０４に合成フィルタの駆動信号として与えられる。
【００４５】
本実施形態の特徴は、上述したようにパルス位置候補探索部１２２において整数パルス位置候補のみならず非整数パルス位置候補をも含むパルス位置候補をピッチベクトルの形状に基づいて適応化することにより、特開平９−３５５７４８に開示されている整数パルス位置候補のみからなるパルス位置候補を適応化する場合に比べて、適応化の効果が大きく向上する点である。以下、図６を用いてこの効果を説明する。
【００４６】
図６（ａ）は整数パルス位置候補のみを含むパルス位置候補の適応化方法（従来法）を示し、図６（ｂ）は整数パルス位置候補に加えて非整数パルス位置候補を含むパルス位置候補を適応化する本実施形態の適応化方法を示している。短い縦線がサンプル点、Δ印が適応化で選ばれたパルス位置候補、波形はピッチベクトルの振幅包絡を示している。いずれもサブフレーム内のサンプル点の数は１６個、パルス位置候補の数は１０個である。
【００４７】
図６（ａ）では、ピッチベクトルのパワの集中している近辺にパルス位置候補が集中しているが、パルス位置候補の数が１０個と多いため、ピッチベクトルのパワが集中している点とそこからやや離れてパワが大きく減少している点に、同等の密度でパルス位置候補が配置される飽和現象が発生している。その結果、振幅包絡の形状とパルス位置候補の配置の具合にずれが生じ、適応化の効果が薄れるという問題がある。
【００４８】
これに対し、図６（ｂ）は整数パルス位置に加えて１／２サンプル点の非整数パルス位置を含むパルス位置候補に対して適応化を行った場合である。パワの集中点にパルス位置候補が集中し、パワの減少とともにパルス位置候補が減少する配置が可能となり、適応化が効率良く機能することが分かる。このようにパルス位置候補の数が多い場合は、本発明による非整数パルス位置を用いることで、パルス位置候補数の飽和現象を解決でき、適応化の効果を最大限に引き出すことが可能になる。
［復号化側について］
次に、図７を用いて図５の音声符号化システムに対応する本実施形態に係る音声復号システムについて説明する。
【００４９】
図４と同一機能を有する部分に同一符号を付して説明すると、図７の音声復号化システムは、ＬＰＣ逆量子化部２０３、ＬＰＣ合成部２０４、パルス音源部２０５Ｂ、利得乗算部２０６、適応符号帳２２２、パルス位置候補探索部２２３、ピッチ周期情報の入力端子２２５、ピッチフィルタ２２６および加算部２２７から構成される。また、パルス音源部２０５Ｂは、図５のパルス音源部１０５Ｂと同様、適応パルス位置符号帳２２０、パルス位置選択部２１１、整数位置パルス生成部２１２、非整数位置パルス生成部２１３および切替部２１４，２１５から構成される。
【００５０】
この音声復号化システムには、図５の音声符号化システムから伝送されてきた符号化ストリームが入力される。この符号化ストリームは、図示しない逆多重化部によって前述したＬＰＣ合成部で用いられる量子化されたＬＰＣ係数を示すインデックスＡ、パルス音源部２０５Ｂで生成されるパルス列の各パルスの位置情報を示すインデックスＣ、および図示しない利得符号帳の探索で選ばれた利得を示すインデックスＧ０，Ｇ１に分離されて取り出される。
【００５１】
インデックスＡは、ＬＰＣ逆量子化部２０１で復号され、量子化ＬＰＣ係数が得られる。この量子化ＬＰＣ係数は、ＬＰＣ合成部２０４に合成フィルタの係数として与えられる。
【００５２】
インデックスＣは、パルス音源部２０５Ｂのパルス位置選択部２１１に入力される。パルス音源部２０５Ｂでは、図５のパルス音源部１０５Ｂと同様に、インデックスＣに従ってパルス位置選択部２１１で適応パルス位置符号帳２２０に格納されている整数パルス位置と非整数パルス位置が混在したパルス位置候補が選択されるとともに、パルス位置選択部２１１により選択されたパルス位置候補が整数パルス位置か非整数パルス位置かに応じて切替部２１４，２１５が制御される。
【００５３】
この結果、パルス位置選択部２１１が選択したパルス位置候補が整数パルス位置の場合は整数位置パルス生成部２１２によって生成された整数位置パルス、また選択したパルス位置候補が非整数パルス位置の場合は非整数位置パルス生成部２１３によって生成された非整数位置パルスがそれぞれ出力され、これらが一系統のパルス列に合成されてパルス音源部２０５Ｂから出力される。
【００５４】
パルス音源部２０５Ｂから出力されるパルス列は、必要に応じてピッチフィルタ２２６により入力端子２２５に与えられたピッチ周期Ｌの情報に従ってピッチ周期化され、さらに利得乗算部２０６で各パルス毎またはパルス列全体に対してインデックスＧ１に従って図示しない利得符号帳から得られた利得が与えられた後、加算部２２７に入力され、この加算部２２７で適応符号帳２２２から選択されかつ利得乗算部２２４でインデックスＧ０に従って図示しない利得符号帳から得られた利得が乗じられたピッチベクトルと加算される。そして、この加算部２２７の出力信号がＬＰＣ合成部２０４に合成フィルタの駆動信号として与えられることにより、合成音声信号（復号音声信号）が生成される。
【００５５】
このように本実施形態によれば、非整数パルス位置候補を含むパルス位置候補をピッチベクトルの形状に基づき適応化することで、ピッチベクトルの形状により忠実なパルス位置候補の配置が可能となり、パルス位置候補数の飽和現象が解決されるため、高音質な符号化／復号化を実現することができる。この効果はパルス位置候補数が多い場合、特に顕著になる。
【００５６】
（第３の実施形態）
［符号化側について］
図８に、本発明の第３の実施形態に係る音声符号化方法を適用した音声符号化システムの構成を示す。この音声符号化システムは、図５に示した音声符号化システムと機能的には同じであるが、具体的な実現手段が異なっている。
【００５７】
図８において、図５と相対応する部分に同一符号を付して説明すると、この音声符号化システムは、パルス音源部１０５Ｃが適応パルス位置符号帳１２０、パルス生成部１３１、ダウンサンプリング部１３２およびパルス位置選択部１１１で構成され、さらにパルス位置候補探索部１２３に代えてマルチレートパルス位置候補探索部１３３を用いる点が図５に示した第２の実施形態の音声符号化システムと異なる。
【００５８】
マルチレートパルス位置候補探索部１３３は、雑音ベクトルをアップサンプリングしたパルス位置候補を出力する。すなわち、１／Ｎサンプルまでの非整数パルス位置候補を扱う場合、マルチレートパルス位置候補探索部１３３はＮ倍のアップサンプリングを行って非整数パルス位置候補を整数パルス位置候補に変換する。フレーム内の雑音ベクトルのサンプル点の数がＭの場合、図５のパルス位置候補探索部１２３は０〜Ｍ−１の範囲の１／Ｎ刻みの整数パルス位置または非整数パルス位置を出力するのに対し、マルチレートパルス位置候補探索部１３３では０〜ＮＭ−１の範囲の整数パルス位置を出力することになる。
【００５９】
この結果、適応パルス位置符号帳１２０に格納されるパルス位置候補は、全て整数値となるが、実際のパルス位置をＮ倍した値となる。パルス生成部１３１では、適応パルス位置符号帳１２０から取り出されたパルス位置候補を受けてＮ倍のアップサンプリングがされている状態でパルスを立てることにより、長さがＮＭのパルス列を得る。ダウンサンプリング部１３２では、これを１／Ｎ倍にダウンサンプリングして長さＭのパルス列を得る。
【００６０】
本実施形態では、パルス生成部１３１から出力されるアップサンプリングされた状態で配置されたパルスは、最終的にダウンサンプリング部１３２でダウンサンプリングされて間引かれる。前述した第２の実施形態は、この間引かれたパルスを非整数パルス位置に対応するパルスのセットとして予め用意しておき、実際にアップサンプリングの処理を行わずとも等価な結果を得るものである。しかしながら、プログラムの構成等により本実施形態のように実際にアップサンプリングを行った方が見通しが良い場合もある。
【００６１】
マルチレートパルス位置候補探索部１３３で整数化されたパルス位置候補を出力する別の方法として、ピッチベクトルをアップサンプリングした後、整数パルス位置のみを用いるパルス位置適応化を行っても同等の結果が得られるなど、様々な処理方法を用いることが可能である。
［復号化側について］
図９は、図８の音声符号化システムに対応する本実施形態の音声復号化システムの構成を示す図であり、パルス音源部２０５Ｃが図８のパルス音源部１０５Ｃと同様に適応パルス位置符号帳２２０、パルス生成部２３１、ダウンサンプリング部２３２およびパルス位置選択部２１１で構成され、さらにパルス位置候補探索部２２３に代えてマルチレートパルス位置候補探索部２３３を用いる点が図７に示した音声復号化システムと異なる。
【００６２】
この音声復号化システムのより詳しい構成と動作は、図７の音声復号化システムと図８の音声符号化システムの説明から自明であるため、説明は省略する。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれぱ合成フィルタの駆動信号を構成するパルス列を生成する際に、フレーム内のサンプル点の数に関係なく多くのパルス位置候補を用いることが可能となり、高音質な符号化／復号化を実現できる。
【００６４】
また、パルス位置候補の適応化を行う場合、ピッチベクトルの形状により忠実なパルス位置候補の配置を可能とすることによって、パルス位置候補数の飽和現象の問題を解決し、より高音質な音声符号化／復号化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る音声符号化システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明における非整数位置パルスの生成法を示す図
【図３】本発明におけるパルス音源部から出力されるパルス列の例を示す図
【図４】本発明の第１の実施形態に係る音声復号化システムの構成を示すブロック図
【図５】本発明の第２の実施形態に係る音声符号化システムの構成を示すブロック図
【図６】第２の実施形態における非整数パルス位置を用いたパルス位置候補の適応化の様子を示す図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る音声復号化システムの構成を示すブロック図
【図８】本発明の第３の実施形態に係る音声符号化システムの構成を示すブロック図
【図９】本発明の第３の実施形態に係る音声復号化システムの構成を示すブロック図
【符号の説明】
１０１…音声信号入力端子
１０２…ＬＰＣ分析部
１０３…ＬＰＣ量子化部
１０４…ＬＰＣ合成部
１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ…パルス音源部
１０６…利得乗算部
１０７…減算部
１０８…符号選択部
１１０…パルス位置符号帳
１１１…パルス位置選択部
１１２…整数位置パルス生成部
１１３…非整数位置パルス生成部
１１４，１１５…切替部
１２０…適応パルス位置符号帳
１２１…聴覚重み付け部
１２２…適応符号帳
１２３…パルス位置候補探索部
１２４…利得乗算部
１２５…ピッチ周期情報入力端子
１２６…ピッチフィルタ
１２７…加算部
１３１…パルス生成部
１３２…ダウンサンプリング部
１３３…マルチレートパルス位置候補探索部
２０３…ＬＰＣ逆量子化部
２０４…ＬＰＣ合成部
２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃ…パルス音源部
２０６…利得乗算部
２１０…パルス位置符号帳
２１１…パルス位置選択部
２１２…整数位置パルス生成部
２１３…非整数位置パルス生成部
２１４，２１５…切替部
２２０…適応パルス位置符号帳
２２２…適応符号帳
２２３…パルス位置候補探索部
２２４…利得乗算部
２２５…ピッチ周期情報入力端子
２２６…ピッチフィルタ
２２７…加算部
２３１…パルス生成部
２３２…ダウンサンプリング部
２３３…マルチレートパルス位置候補探索部
Claims (6)
- 音声信号を少なくとも合成フィルタの特性を表す情報と該合成フィルタを駆動するための駆動信号とで表現して符号化する音声符号化方法において、
前記駆動信号は、該駆動信号のサンプル点の位置に設定されるときには該サンプル点の位置に立てられた第１のパルスにより構成され、該駆動信号のサンプル点とサンプル点との中間位置に設定されるときには該中間位置の前後にそれぞれ立てられた複数の第２のパルスにより構成されることを特徴とする音声符号化方法。 - 音声信号を少なくとも合成フィルタの特性を表す情報と該合成フィルタを駆動するためのピッチベクトルおよび雑音ベクトルからなる駆動信号とで表現して符号化する音声符号化方法において、
前記雑音ベクトルは、該雑音ベクトルのサンプル点の位置に設定されるときには該サンプル点の位置に立てられた第１のパルスにより構成され、該雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との中間位置に設定されるときには該中間位置の前後にそれぞれ立てられた複数の第２のパルスにより構成されることを特徴とする音声符号化方法。 - 音声信号を少なくとも合成フィルタの特性を表す情報と該合成フィルタを駆動するためのピッチベクトルおよび雑音ベクトルからなる駆動信号とで表現して符号化する音声符号化方法において、
前記雑音ベクトルは、前記ピッチベクトルの形状に基づいて適応化されるパルス位置候補から選ばれた所定数のパルス位置にパルスを立てることで生成されたパルス列を用いて構成され、
前記パルス位置候補は、前記雑音ベクトルのサンプル点に設定される第１のパルス位置候補および該雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との中間位置の前後にそれぞれ設定される複数の第２のパルス位置候補を含むことを特徴とする音声符号化方法。 - 駆動信号を合成フィルタに入力して音声信号を復号化する方法であって、
前記駆動信号は、該駆動信号のサンプル点の位置に設定されるときには該サンプル点の位置に立てられた第１のパルスにより構成され、該駆動信号のサンプル点とサンプル点との中間位置に設定されるときには該中間位置の前後にそれぞれ立てられた複数の第２のパルスにより構成されることを特徴とする音声復号化方法。 - 雑音ベクトルとピッチベクトルとからなる駆動信号を合成フィルタに入力して音声信号を復号化する方法であって、
前記雑音ベクトルは、該雑音ベクトルのサンプル点の位置に設定されるときには該サンプル点の位置に立てられた第１のパルスにより構成され、該雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との中間位置に設定されるときには該中間位置の前後にそれぞれ立てられた複数の第２のパルスにより構成されることを特徴とする音声復号化方法。 - ピッチベクトルの形状に基づいて適応化されるパルス位置候補から選ばれた所定数のパルス位置にパルスを立てることで生成されたパルス列を用いて構成される雑音ベクトルとピッチベクトルとからなる駆動信号を合成フィルタに入力して音声信号を復号化する方法であって、
前記パルス位置候補は、前記雑音ベクトルのサンプル点に設定される第１のパルス位置候補および該雑音ベクトルのサンプル点とサンプル点との中間位置の前後にそれぞれ設定される複数の第２のパルス位置候補を含むことを特徴とする音声復号化方法。
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