(57)【要約】再量子化装置としての再量子化ノイズを検出する減算器と、検出された再量子化ノイズに対して周波数重みを付ける離散時間フィルタと、量子化ノイズに付加信号を加算する加算器と、１サンプル以上先の評価された周波数重みのついた量子化ノイズの大きさを最小化する付加信号の列の現時刻の値を選択する付加信号選出器とを設ける。
2019065716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス符号変調信号である高分解能信号を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号を出力し、
前記高分解能信号と前記低分解能信号の差である再量子化ノイズを検出する減算器と、
周波数重みを付ける離散時間フィルタと、
量子化器と、
前記量子化器の出力信号に付加信号を付加する加算器と、
前記付加信号を生成する付加信号選出器を有し、
前記高分解能信号は前記量子化器に入力され、
前記量子化器の出力信号に付加信号を加算した信号を前記低分解能信号とし、
前記再量子化ノイズは前記離散時間フィルタに入力され、
前記付加信号は前記離散時間フィルタの出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、
前記付加信号の取り得る値は３１値以下であり、
これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置。
【請求項２】
パルス符号変調信号である高分解能信号とパルス符号信号である既知雑音信号を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号と前記既知雑音信号を合成した信号を出力し、
前記高分解能信号と前記低分解能信号と前記既知雑音信号の和の差である再量子化ノイズを検出する減算器と、
周波数重みを付ける離散時間フィルタと、
量子化器と、
前記量子化器の出力信号に付加信号を付加する加算器と、
前記付加信号を生成する付加信号選出器を有し、
前記高分解能信号は前記量子化器に入力され、
前記量子化器の出力信号に付加信号を加算した信号を前記低分解能信号とし、
前記再量子化ノイズは前記離散時間フィルタに入力され、
前記付加信号は前記離散時間フィルタの出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、
前記付加信号の取り得る値は３１値以下であり、
これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置において、前記低分解能信号を有限ステップ遅れて出力させることによりリアルタイムで処理を実行することを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置。
【請求項４】
請求項１から３に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置において、前記付加信号の取り得る値が３値であることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置。
【請求項５】
請求項１から４に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置において、低分解能信号の分解能が高分解能信号の分解能よりも低いことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置。
【請求項６】
パルス符号変調信号である高分解能信号を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号を出力する、請求項１から５に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置と、低分解能信号を圧縮データに変換する信号圧縮器を有し、高分解能信号を入力信号とし、圧縮データを出力信号とすることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号圧縮装置。
【請求項７】
パルス符号変調信号である高分解能信号を入力し、圧縮データを出力する、請求項６に記載の信号圧縮装置と、圧縮データを伝送する手段である送信器を持つことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分解能なパルス符号変調（ＰＣＭ）信号を、より分解能の低いＰＣＭ信号に変換する再量子化装置に関するものであり、特に再量子化に際して量子化ノイズのシェーピングを行うものに関するものである。
本願は、２０１７年９月２９日に日本に出願された特願２０１７−１９１２３７、及び２０１８年５月１４日に日本に出願された特願２０１８−０９３１４５に基づく優先権を主張し、それらをここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
音声信号等をデジタル化した場合、信号の表現方法としてＰＣＭ信号が使用される。ＰＣＭ信号は、信号は時間方向にはサンプル周期ごとにサンプルされ、値方向には量子化されたものである。信号の記録や、信号処理における中間信号として、広く用いられている手法である。
信号処理における中間信号の場合は、十分に高い分解能により量子化されたＰＣＭ信号が用いられるが、信号を記憶や伝送する場合には、分解能を落とす必要が発生する。例えば、音楽用コンパクトディスク（ＣＤ）に信号を記憶する場合には語長１６ビットに量子化された信号を使用する必要がある。しかし、音楽の信号などでは、記録したい元の信号は、それより高い分解能を有することが多く、分解能を下げることは量子化ノイズの増大を意味し音質の低下を伴う。
この問題に対して、量子化ノイズをシェーピングする手法が提案され、実際に用いられている。音声信号を扱う場合、可聴帯域内でも人間の耳の感度の高い周波数帯と低い周波数帯が存在する。そこで、感度の低い周波数帯の量子化ノイズの増大を許容することと引き換えに、感度の高い周波数帯における量子化ノイズを抑制することにより、トータルとして聴感上ではより品質の高い信号とするものである。このような技術は、ノイズシェーピングと呼ばれている。【０００３】
しかし、ノイズシェーピングを行うと、量子化ノイズの総量が増大してしまうといった問題がある。場合によっては、rms値で３０倍程度の量子化ノイズとなってしまう場合もある。そして、このノイズシェーピングされたＰＣＭ信号を信号処理して同じ語長のＰＣＭ信号に変換した場合、量子化ノイズは全周波数にわたってほぼ一様に付加されることになるので、先の再量子化においてノイズシェーピングした利点は無くなり、増大した量子化ノイズはそのまま残ることになる。このような事態は、パソコンにおける音楽再生において発生する。また、音声信号がＰＣＭ信号であり、これをスピーカ等により再生する場合は、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）等によって一旦アナログ信号に変換する必要があるが、その際に使用するＤＡＣによる付加ノイズが十分に小さくない場合でも、同様な問題が起きる。使用するＤＡＣの性能はＰＣＭ信号の語長に対して設定することが多いので、ノイズシェーピングされたＰＣＭ信号に対しては、十分な性能を有していないことが多いのが実情である。
このような事情があるので、ノイズシェーピングを行いながら再量子化を行う際には、量子化ノイズの増大を抑制することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２１３６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする課題は、量子化ノイズの総量の増大をある程度抑えながらノイズシェーピングを行う再量子化手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明１は、パルス符号変調信号である高分解能信号を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号を出力し、高分解能信号と低分解能信号の差である再量子化ノイズを検出する減算器と、周波数重みを付ける離散時間フィルタと、量子化器と、量子化器の出力信号に付加信号を付加する加算器と、付加信号を生成する付加信号選出器を有し、高分解能信号は量子化器に入力され、量子化器の出力信号に付加信号を加算した信号を低分解能信号とし、再量子化ノイズは離散時間フィルタに入力され、付加信号は離散時間フィルタの出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、付加信号の取り得る値は３１値以下であり、これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置である。
発明２は、パルス符号変調信号である高分解能信号とパルス符号信号である既知雑音信号を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号と既知雑音信号を合成した信号を出力し、高分解能信号と低分解能信号と既知雑音信号の和の差である再量子化ノイズを検出する減算器と、周波数重みを付ける離散時間フィルタと、量子化器と、量子化器の出力信号に付加信号を付加する加算器と、付加信号を生成する付加信号選出器を有し、高分解能信号は量子化器に入力され、量子化器の出力信号に付加信号を加算した信号を低分解能信号とし、再量子化ノイズは離散時間フィルタに入力され、付加信号は離散時間フィルタの出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、付加信号の取り得る値は３１値以下であり、これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置である。
発明３は、発明１または２に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置において、低分解能信号を有限ステップ遅れて出力させることによりリアルタイムで処理を実行することを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置である。
発明４は、発明１から３に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置において、前記付加信号の取り得る値が３値であることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置である。
発明５は、発明１から４に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置において、低分解能信号の分解能が高分解能信号の分解能よりも低いことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置である。
発明６は、パルス符号変調信号である高分解能信号を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号を出力する、発明１から５に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置と、低分解能信号を圧縮データに変換する信号圧縮器を有し、高分解能信号を入力信号とし、圧縮データを出力信号とすることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号圧縮装置である。
発明７は、パルス符号変調信号である高分解能信号を入力し、圧縮データを出力する、発明６に記載の信号圧縮装置と、圧縮データを伝送する手段である送信器を持つことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号送信装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の技術を用いることにより、量子化ノイズの増大を抑えながらノイズシェーピングを行う再量子化装置を実現することができる。その結果、周波数重みを付けない条件での信号対雑音比の悪化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置の構成を示す図。
【図２】第１実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置におけるフィルタ出力信号の様子を示す図。
【図３】ノイズシェーピングを行わない場合の再量子化された信号のスペクトル例
【図４】従来の技術によるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置の構成を示す図。
【図５】ノイズシェーピングを行う際の、再量子化ノイズに対するスペクトル形状の目標を示す図。
【図６】従来の技術によるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置の出力信号のスペクトル例。
【図７】第１実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置の出力信号のスペクトル例。
【図８】第１実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置に対して付加信号w[k]の取る値を５値にした場合の出力信号のスペクトル例。
【図９】第１実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置に対して付加信号w[k]の取る値を９値にした場合の出力信号のスペクトル例。
【図１０】本発明の第２実施形態にノイズシェーピング機能を有する再量子化装置の出力信号のビット構成例を示す図。
【図１１】第２実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置の構成を示す図。
【図１２】第４実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する信号圧縮装置の構成例。
【図１３】第５実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する信号送信装置の構成例。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による高分解能ＰＣＭ信号u[k]を低分解能ＰＣＭ信号y[k]に変換するノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１の構成を図１に示す。
低分解能ＰＣＭ信号y[k]は整数の値を取る離散時間信号である。説明の容易化のため、高分解能ＰＣＭ信号u[k]の値は固定小数点形式で与えられるものとし、整数部と小数部を持つものとする。再量子化装置１１では、高分解能ＰＣＭ信号u[k]の小数部の部分だけ分解能が削減され、低分解能ＰＣＭ信号y[k]として出力される。このノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１はリアルタイム処理ではなくバッチ処理にて実行されるものであるので、内部の処理において必ずしも因果性は必要とされない。
【００１１】
動作の説明は、以下の通りである。高分解能ＰＣＭ信号u[k]は量子化器１に入力され、量子化器１では単純に小数部を丸めて整数にした信号が出力される。量子化器１から出力された信号は加算器４２によって後で説明する付加信号w[k]が加えられ、低分解能信号y[k]が生成され出力される。一方、低分解能信号y[k]と高分解能信号u[k]の差は減算器４１により再量子化ノイズとして検出され、離散時間フィルタ２１に入力される。離散時間フィルタ２１は再量子化ノイズのシェーピングを行うための周波数重みづけを行うフィルタである。離散時間フィルタ２１の出力信号であるフィルタ出力信号v[k]は付加信号選出器３に入力される。ここでは離散時間フィルタ２１は厳密にプロパーである場合について説明する。すなわち、離散時間フィルタ２１は入力に対して、その影響が１ステップ以上遅れて出力に現れるものとする。
【００１２】
付加信号w[k]は３値の値を取る離散時間信号であり、量子化器１の出力信号の量子化幅を１としたとき、｛-1,0,1｝の値を取るものである。付加信号選出器３においては、予見ステップ数をNとしたとき、現時刻をk=iとして、フィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の値に対して、その二乗和が最小になる付加信号のw[i]からw[i+N-1]の組を算出する。具体的には、付加信号のw[i]からw[i+N-1]の全ての可能な3^N（ハット・エヌ）個の組み合わせに対してフィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の二乗和が最小になるものを探索する。ここで3^Nは3のN乗を示す。N=2である時の様子を図２に示す。この場合は、(w[i],w[i+1])の組は(0,1)が選択されることになる。処理をリアルタイムで行っているわけではないため、すなわちバッチ処理で行っているため、信号の未来の値を用いて計算することができる。
得られた付加信号のw[i]からw[i+N-1]のうち、実際に使用するのは現時刻の付加信号であるw[i]であり、実際に使用するw[i+1]の値は、次の時刻k=i+1において同様に算出する。
【００１３】
第１実施形態においては、フィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の二乗和が最小になる付加信号のw[i]からw[i+N-1]の組み合わせを算出しているが、厳密に最小になる組み合わせである必要はなく、フィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の二乗和が小さい付加信号のw[i]からw[i+N-1]の組み合わせを算出するようにしてもよい。
【００１４】
第１実施形態においては、フィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の二乗和が最小になる付加信号のw[i]からw[i+N-1]の組み合わせを算出しているが、評価として二乗和を用いる必要はなく、フィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の絶対値和でもよく、フィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の絶対値の最大値でもよい。また、フィルタ出力信号のv[i+N]の絶対値のみでもよい。
【００１５】
第１実施形態においては、付加信号のw[i]からw[i+N-1]の組み合わせを算出しているが、実際に使用するのは付加信号の現時刻の値であるw[i]であるので、w[i]のみを現時刻における離散時間フィルタ２１の状態および時刻iからi+N-1までの量子化器１の出力信号から直接算出するようにしてもよい。
【００１６】
第１実施形態においては、付加信号のw[i]からw[i+N-1]の組み合わせを算出する際に、その全ての可能な3^N個の組み合わせを候補としていたが、特にNの値が大きい場合は明らかに選出されない組み合わせが存在するので、そのような組み合わせを候補から除いてもよく、必ずしも全ての可能な組み合わせを候補に入れなくてもよい。
【００１７】
第１実施形態においては、付加信号を量子化器１の出力信号に対して加算していたが、量子化器１の入力信号に加えるようにしてもよく、量子化器１の出力信号に加算した場合と全く同様に動作することは明らかである。
【００１８】
第１実施形態においては、付加信号w[k]は｛-1,0,1｝の３値の値を取るものとしたが、付加信号w[k]の取る値は３値でなくてもよく、｛-1,1｝の２値の値でもよい。この場合、再量子化装置によって付加される量子化ノイズの総量は増えるが、付加信号のw[i]からw[i+N-1]の可能組み合わせの数は2^N個と大幅に削減されるので、再量子化装置における計算量を削減できるといった利点がある。ここで2^Nは2のN乗を示す。また、付加信号w[k]の取る値は４値以上３１値以下の値でもよく、５値であっても、７値であっても、９値であってもよい。離散時間フィルタ２１の設定によっては、付加信号w[k]の取る値を増やすことによってノイズシェーピングの性能を向上させることができる。しかし、必要以上に付加信号w[k]の取る値を増やしても、ノイズシェーピングの性能は向上しない。付加信号w[k]の取る値を増やしていくと、再量子化ノイズの総量は増えていき従来の手法を使用した場合に近くなって行くが、従来の手法を用いると再量子化ノイズの瞬時値の生起確率が誤差関数に従い大きな値を取る確率が存在することに対し、本発明を用いた場合には、付加信号w[k]の取る値によって量子化ノイズの値の範囲を設定できるといった利点がある。しかし、付加信号w[k]の取る値を３１値より多くの値に取っても、実用上はメリットがない。
【００１９】
第１実施形態は、低分解能信号（y[k]）の分解能が高分解能信号（u[k]）の分解能よりも低いことを前提としていたが、必ずしもその制約を守らないといけない訳ではなく、低分解能信号（y[k]）の分解能と高分解能信号（u[k]）の分解能が等しくてもよい。低分解能信号（y[k]）の分解能は、使用する後段装置の仕様やデータフォーマットの仕様等により決められることが多い。一方、高分解能信号（u[k]）の分解能に関しては、扱う信号によって分解能が様々であることもある。そのような状況下では低分解能信号（y[k]）の分解能と高分解能信号（u[k]）の分解能が等しい場合も発生する。そのようなケースにおいて、再量子化装置１１を使用するか否かを切り替えることは、処理を煩雑にするので、再量子化装置１１を分解能が高分解能信号（u[k]）の分解能に関わらず常に使用するようにすることに利点はあるし、実用上、音質劣化の問題も顕著に表れることはない。
【００２０】
第１実施形態の有用性を示すために、数値例を示す。条件としては、サンプリング周波数は44.1kHz、低分解能信号y[k]の語長は10ビット、高分解能信号u[k]の分解能は十分に高いものとした。信号は-0.19dBfs、周波数は約17.7kHzの正弦波とした。
単純なノイズシェーピングを行わなかった際の量子化された信号のスペクトルを図３に示す。量子化ノイズのスペクトルが0dB付近となるように縦軸を調整してある。量子化ノイズがほぼ一様に分布していることが見て取れる。このときの量子化ノイズの大きさは理論値ではrms値で1/3LSBである。
【００２１】
次に、従来の技術のノイズシェーピングを掛けた場合の例を示す。使用した再量子化装置１１１の構成を図４に示す。離散時間フィルタ１２２の伝達関数をH[z]とすると再量子化ノイズのスペクトルの期待値は(1-H[z])の周波数応答のゲイン応答に比例することが知られている。(1-H[z])のゲイン応答が図５に示す特性となるようにH[z]を設定した際の低分解能信号y[k]のスペクトルを図６に示す。12kHzを超える周波数で量子化ノイズが増大していることが見て取れる。このときの量子化ノイズの大きさはrms値で1.89LSBであった。
【００２２】
次に第１実施形態を用いた場合を示す。離散時間フィルタ２１の伝達関数をF[z]とすると、ノイズシェーピングは離散時間フィルタ２１の出力信号であるフィルタ出力信号v[k]が白色に近くなるようになされるので、再量子化ノイズのスペクトルの期待値は1/F[z]の周波数応答のゲイン応答に比例した形に近くなる。しかし、付加信号w[k]が３値に限定されているので、実際にはずれることになる。特にスペクトル密度が大きくなる周波数においては再量子化ノイズのスペクトルは抑制され、スペクトル密度が小さい周波数領域においては増大する傾向がある。Nの値は４とし、離散時間フィルタ２１について1/F[z]のゲイン応答が図５となるように設計した場合の第１実施形態における再量子化ノイズのスペクトルを図７に示す。図４に示す従来の技術によるノイズシェーピング技術を用いた場合と比べると、15kHz以上の周波数領域において再量子化ノイズが抑制できていることが見て取れる。この時の再量子化ノイズのrms値は0.72LSBであり、従来の技術を用いた場合に比べて0.38倍と大幅に抑制されている。
【００２３】
付加信号w[k]の取る値を｛−２，−１，０，１，２｝と５値にし、その他の設定を第１実施形態と同じにしたときの再量子化ノイズのスペクトルを図８に示す。第１実施形態の場合に比べて高域のスペクトルが上昇してしまっているが、低域のスペクトルがより抑制できていることが見て取れる。
【００２４】
付加信号w[k]の取る値を｛−４，−３，−２，−１，０，１，２，３，４｝と９値にし、その他の設定を第１実施形態と同じにしたときの再量子化ノイズのスペクトルを図９に示す。５値とした時よりも低域のスペクトルがわずかに抑制できているものの、高域のスペクトルが上昇してしまっていて、このケースでは５値としたときに対してあまり優位なものとはなっていない。付加信号w[k]の取る値の数は、望まれるノイズシェーピング性能、再量子化ノイズの大きさ、必要とされる計算資源を考慮して決める必要がある。
【００２５】
以上、第１実施形態は、パルス符号変調信号である高分解能信号u[k]を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号y[k]を出力し、高分解能信号u[k]と低分解能信号y[k]の差である再量子化ノイズを検出する手段である減算器４１と、周波数重みを付ける離散時間フィルタ２１と、量子化器１と、量子化器１の出力信号に付加信号w[k]を付加する手段である加算器４２と、付加信号w[k]を生成する手段である付加信号選出器３を有し、高分解能信号u[k]は量子化器１に入力され、量子化器１の出力信号に付加信号w[k]を加算した信号を低分解能信号y[k]とし、再量子化ノイズは離散時間フィルタ２１に入力され、付加信号w[k]は離散時間フィルタ２１の出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、付加信号w[k]の取り得る値は３１値以下であり、これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１である。
【００２６】
また、第１実施形態は、前段に記載の再量子化装置１１において、付加信号w[k]の取り得る値が３値であることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１である。
【００２７】
さらに、第１実施形態は、前段に記載の再量子化装置１１において、低分解能信号y[k]の分解能が高分解能信号u[k]の分解能よりも低い特徴を具備するノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１である。
【００２８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、再量子化装置の出力信号である低分解能信号y[k]に再量子化装置の入力信号である高分解能信号u[k]とは直接は関係しないビットが含まれる場合におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置である。図１０に低分解能信号y[k]のビット構成例を示す。低分解能信号y[k]は２の補数による２進数16ビットの信号であるが、下位３ビットのデータである既知雑音信号s[k]は高分解能信号u[k]とは直接関係のないデータであり、高分解能信号u[k]と直接関係するのは上位13ビットのr[k]の部分である。r[k]を生成する際に既知雑音信号s[k]の値を勘案してノイズシェーピングを行うことにより、y[k]の16ビットのデータをそのまま再生しても、既知雑音信号s[k]の影響は再量子化ノイズとしか現れないようにできる技術は既に知られている。この技術により、既存のCD等の音声データに新たなデータを組み込むことができる。第２実施形態は、この技術を第１実施形態に適用したものである。
【００２９】
第２実施形態によるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１の構成を図１１に示す。第１実施形態との構成要素での違いは、加算器４２の出力信号に加算器４３により既知雑音信号s[k]が加算されていることである。低分解能信号y[k]の16ビットデータをそのままＰＣＭ信号として扱うと既知雑音信号s[k]は単なる雑音成分となり、また、付加信号w[k]を算出する際には既知雑音信号s[k]の未来の値が必要となる。
【００３０】
低分解能信号y[k]のビット構成（図１０）において、b3が１の位であり、r[k]は整数の値を取り、既知雑音信号s[k]は-1/2以上1/2未満の値を取るものとし、符号付固定小数点形式の２の補数による２進数として表現されるものとする。符号付の数として扱うのは、既知雑音信号s[k]の絶対値の最大値を抑えるとともに、既知雑音信号s[k]の平均値の絶対値も抑えるためである。加算器４３による信号の加算は、語長は異なるが２の補数形式による符号付２進数同士の加算として実行される。量子化器１においてはb3の位に丸められ、付加信号w[k]はb3を１の位として、{-1,0,1}のいずれかの値を取る。
【００３１】
動作としては、既知雑音信号s[k]を含んだ信号に対して再量子化ノイズを検出するようにしているので、既知雑音信号s[k]を相殺する形でノイズシェーピングがなされることになる。その他は第１実施形態と同じである。
【００３２】
第２実施形態においては、低分解能信号y[k]のビット構成を図１０に示すように設定していたが、その必要はなく、低分解能信号y[k]のビット構成は図１０に示すもの以外であってもよい。
【００３３】
以上、第２実施形態は、パルス符号変調信号である高分解能信号u[k]とパルス符号信号である既知雑音信号（s[k]）を入力し、高分解能信号u[k]よりも分解能の低いパルス符号変調信号である低分解能信号y[k]と既知雑音信号（s[k]）を合成した信号を出力し、高分解能信号u[k]と低分解能信号y[k]と既知雑音信号の和の差である再量子化ノイズを検出する手段である減算器４１と、周波数重みを付ける離散時間フィルタ２１と、量子化器１と、量子化器１の出力信号に付加信号w[k]を付加する手段である加算器４２と、付加信号w[k]を生成する手段である付加信号選出器３を有し、高分解能信号u[k]は量子化器１に入力され、量子化器１の出力信号に付加信号w[k]を加算した信号を低分解能信号y[k]とし、再量子化ノイズは離散時間フィルタ２１に入力され、付加信号w[k]は離散時間フィルタ２１の出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、付加信号w[k]の取り得る値は３値以下であり、これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１である。
【００３４】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態は、第１実施形態におけるバッチ処理によって実行されるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１をリアルタイム処理で実行されるようにするものである。
【００３５】
第１実施形態におけるノイズシェーピング機能を有する再量子化装置においては、現時刻をk=iとしたとき、現時刻の付加信号の値w[i]を求めるのに際してフィルタ出力信号のv[i+1]からv[i+N]の値を使用しており、このことは再量子化装置の入力信号である高分解能信号のu[i]からu[i+N]の値を必要としていることを意味している。ここで、再量子化装置の出力信号である低分解能信号y[k]をNステップ以上遅らせて出力させることにすれば、第１実施形態と同じ信号処理をリアルタイムにて実行できることは明らかである。
【００３６】
本発明第３実施形態は、第１実施形態をリアルタイムにて実行するものであったが、第２実施形態をリアルタイムにて実行するようにしてもよい。ただし、既知雑音信号s[k]の値が確定するのに時間を要する場合があるので、低分解能信号y[k]をその分多く遅らせる必要が発生することがあることに注意を要する。
【００３７】
以上、第３実施形態は、第１実施形態または第２実施形態に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１において、低分解能信号y[k]を有限ステップ遅れて出力させることによりリアルタイムで処理を実行することを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置１１である。
【００３８】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による、高分解能ＰＣＭ信号u[k]を入力とするノイズシェーピング機能を有する信号圧縮装置１２の構成を図１２に示す。
【００３９】
高分解能ＰＣＭ信号u[k]は、本発明第１実施形態による再量子化装置１１により低分解能信号y[k]に変換される。低分解能信号y[k]の分解能は16ビットである。低分解能信号y[k]は信号圧縮器５に入力され圧縮データ９１に変換される。信号圧縮器５における信号圧縮の方式は可逆圧縮でもよいし、ＭＰ３やＡＡＣなどの非可逆圧縮でもよい。可逆圧縮の場合は、第１実施形態による再量子化装置１１により得られた低分解能信号y[k]は再量子化ノイズの大きさが抑えられているので、量子化ノイズの情報量がその分少なくなっていて、信号圧縮器５における信号の圧縮率を向上させることができる。また、非可逆圧縮の場合は、第１実施形態による再量子化装置１１により得られた低分解能信号y[k]は再量子化ノイズのスペクトルが抑えられているので、その分、高品位な圧縮データ９１を信号圧縮器５により得ることができる。
【００４０】
信号圧縮器５における圧縮アルゴリズムは標準化されているものが多く使われているので、信号圧縮器５の入力信号である低分解能信号y[k]の分解能は固定となっている場合が多いが、音源信号である高分解能ＰＣＭ信号u[k]の分解能は様々である。したがって、高分解能ＰＣＭ信号u[k]の分解能と低分解能信号y[k]の分解能の分解能が等しくなる場合も存在する。そのような場合、特に再量子化装置１１をバイパスさせなくてもよい。再量子化装置１１を通しても、音声品質の目立った劣化が生じない上、信号経路の制御を省略することにより、装置の単純化が望めるといった利点がある。
【００４１】
第４実施形態は、音楽配信を目的とした圧縮された音声データの生成や、ＤＶＤやブルーレイ・ディスクに収められる音声付映像信号の音声データの生成に用いることができる。また、個人で圧縮音声データを含む信号を記録する装置にも用いることができる。しかし、第４実施形態の用途は、これらに限定されるものではない。
【００４２】
第４実施形態においては、再量子化装置１１は本発明第１実施形態であるバッチ処理のものを用いていたが、再量子化装置１１はバッチ処理で行わなくてもよく、本発明第３実施形態であるリアルタイム処理のものを用いてもよい。
【００４３】
以上、第４実施形態は、パルス符号変調信号である高分解能信号（u[k]）を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号（y[k]）を出力する、発明１に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）と、低分解能信号（y[k]）を圧縮データ（９１）に変換する信号圧縮器（５）を有し、高分解能信号（u[k]）を入力信号とし、圧縮データ（９１）を出力信号とすることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号圧縮装置（１２）である。
【００４４】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による、高分解能ＰＣＭ信号u[k]を入力とするノイズシェーピング機能を有する信号送信装置１３の構成を図１３に示す。
【００４５】
高分解能ＰＣＭ信号u[k]は、本発明第３実施形態による再量子化装置１１により低分解能信号y[k]に変換される。低分解能信号y[k]の分解能は16ビットである。低分解能信号y[k]は信号圧縮器５に入力され圧縮データ９１に変換される。信号圧縮器５における信号圧縮の方式は可逆圧縮でもよいし、ＭＰ３やＡＡＣなどの非可逆圧縮でもよい。可逆圧縮の場合は、第３実施形態による再量子化装置１１により得られた低分解能信号y[k]は再量子化ノイズの大きさが抑えられているので、量子化ノイズの情報量がその分少なくなっていて、信号圧縮器５における信号の圧縮率を向上させることができる。また、非可逆圧縮の場合は、第３実施形態による再量子化装置１１により得られた低分解能信号y[k]は再量子化ノイズのスペクトルが抑えられているので、その分、高品位な圧縮データ９１を信号圧縮器５により得ることができる。信号圧縮器５により得られた圧縮データ９１は、デジタル信号の伝送手段である送信器６およびアンテナ７により送信される。
【００４６】
送信された信号は、通常の圧縮データ受信装置により受信され、さらに再生手段により音声が再生される。この過程には、信号圧縮器５で圧縮された圧縮データ９１から元のデータを復元する過程を含む。ただし、信号圧縮器５において非可逆圧縮された場合においては、完全な復元はできない。この際、受信側においては、信号送信装置１３の中で再量子化装置１１が機能しているか否かに関係なく、信号の再生が可能となる点に注意が必要である。信号送信装置１３の中で再量子化装置１１が機能している場合は、再生される音声の品質を高めることになる。
【００４７】
第５実施形態は、非圧縮音源を入力とするワイヤレス・スピーカやワイヤレス・ヘッドホン等に用いることができる。Bluetooth（登録商標）等のワイヤレスで音声信号を転送する際においては、使用可能な信号帯域の関係から音声信号は非可逆圧縮が掛けられてからワイヤレス伝送されるケースがほとんどである。しかし、第５実施形態の用途は、上記で示したものに限定されるものではない。
【００４８】
第５実施形態は、圧縮データ９１は無線により伝送されていたが、伝送の手段は無線でなくてもよく、有線であってもよい。
【００４９】
以上、第５実施形態は、パルス符号変調信号である高分解能信号（u[k]）を入力し、圧縮データ（９１）を出力する、発明３に記載の信号圧縮装置（１２）と、圧縮データ（９１）を伝送する手段である送信器（６）を持つことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号送信装置（１３）である。
【００５０】
以上、第１実施形態、第２実施形態、および第３実施形態を用いることにより、量子化ノイズの増大を抑えながらノイズシェーピングを行う再量子化装置１１を実現することができる。その結果、周波数重みを付けない条件での信号対雑音比の悪化を抑えることができる。
【００５１】
また、第４実施形態を用いることにより、音声信号に対するより高品質な圧縮データ９１を作成することができる。
【００５２】
また、第５実施形態を用いることにより、音声の圧縮データを送信する場合においても、より高品質な音声を再生することが可能な信号送信装置１３を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の技術を用いることにより、量子化ノイズの増大を抑えながらノイズシェーピングを行う再量子化装置を実現することができる。その結果、周波数重みを付けない条件での信号対雑音比の悪化を抑えることができる。【００５４】
なお、以上の実施形態において説明された発明を整理して、付記として開示する。【００５５】
（付記１）
発明１は、パルス符号変調信号である高分解能信号（u[k]）を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号（y[k]）を出力し、高分解能信号（u[k]）と低分解能信号（y[k]）の差である再量子化ノイズを検出する手段（４１）と、周波数重みを付ける離散時間フィルタ（２１）と、量子化器（１）と、量子化器（１）の出力信号に付加信号（w[k]）を付加する手段（４２）と、付加信号（w[k]）を生成する手段（３）を有し、高分解能信号（u[k]）は量子化器（１）に入力され、量子化器（１）の出力信号に付加信号（w[k]）を加算した信号を低分解能信号（y[k]）とし、再量子化ノイズは離散時間フィルタ（２１）に入力され、付加信号（w[k]）は離散時間フィルタ（２１）の出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、付加信号（w[k]）の取り得る値は３１値以下であり、これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）である。【００５６】
（付記２）
発明２は、パルス符号変調信号である高分解能信号（u[k]）とパルス符号信号である既知雑音信号（s[k]）を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号（y[k]）と既知雑音信号（s[k]）を合成した信号を出力し、高分解能信号（u[k]）と低分解能信号（y[k]）と既知雑音信号の和の差である再量子化ノイズを検出する手段（４１）と、周波数重みを付ける離散時間フィルタ（２１）と、量子化器（１）と、量子化器（１）の出力信号に付加信号（w[k]）を付加する手段（４２）と、付加信号（w[k]）を生成する手段を有し、高分解能信号（u[k]）は量子化器（１）に入力され、量子化器（１）の出力信号に付加信号（w[k]）を加算した信号を低分解能信号（y[k]）とし、再量子化ノイズは離散時間フィルタ（２１）に入力され、付加信号（w[k]）は離散時間フィルタ（２１）の出力信号の現時刻から有限ステップ未来までの値に基づいて算出され、付加信号（w[k]）の取り得る値は３１値以下であり、これらの処理がバッチ処理にて実行されることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）である。【００５７】
（付記３）
発明３は、発明１または２に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）において、低分解能信号（y[k]）を有限ステップ遅れて出力させることによりリアルタイムで処理を実行することを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）である。【００５８】
（付記４）
発明４は、発明１から３に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）において、前記付加信号（w[k]）の取り得る値が３値であることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）である。【００５９】
（付記５）
発明５は、発明１から４に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）において、低分解能信号（y[k]）の分解能が高分解能信号（u[k]）の分解能よりも低いことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）である。【００６０】
（付記６）
発明６は、パルス符号変調信号である高分解能信号（u[k]）を入力し、パルス符号変調信号である低分解能信号（y[k]）を出力する、発明１から５に記載のノイズシェーピング機能を有する再量子化装置（１１）と、低分解能信号（y[k]）を圧縮データ（９１）に変換する信号圧縮器（５）を有し、高分解能信号（u[k]）を入力信号とし、圧縮データ（９１）を出力信号とすることを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号圧縮装置（１２）である。【００６１】
（付記７）
発明７は、パルス符号変調信号である高分解能信号（u[k]）を入力し、圧縮データ（９１）を出力する、発明６に記載の信号圧縮装置（１２）と、圧縮データ（９１）を伝送する手段である送信器（６）を持つことを特徴とするノイズシェーピング機能を有する信号送信装置（１３）である。
【符号の説明】
【００６２】
１１，１１１            再量子化装置
１，１０１              量子化器
１２                    信号圧縮装置
１３                    信号送信装置
２１，１２２            離散時間フィルタ
３                      付加信号選出器
４１，１４１，１４４    減算器
４２，４３              加算器
５                      信号圧縮器
６                      送信器
７                      アンテナ
９１                    圧縮データ
u[k]                    高分解能信号
y[k]                    低分解能信号
v[k]                    フィルタ出力信号
w[k]                    付加信号
s[k]                     既知雑音信号
【図１】
2019065716.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019065716.tif 000012
【図１１】
2019065716.tif 000013
【図１２】
2019065716.tif 000014
【図１３】
2019065716.tif 000015
【国際調査報告】
2019065716.tif 000016
2019065716.tif 000017