(57)【要約】【課題】従来のＡＤＰＣＭ圧縮スキームに基づく音声データ圧縮に対し、省電力かつ限られたメモリ資源のもとでさらなる圧縮率の向上を図ること。【解決手段】本発明は、非対称ＡＤＰＣＭ圧縮スキームを用いて特定の符号化ビットに対する見かけ上の符号化分解能を増大する。さらにこれに加えて、あるいは、これに代えて、パターン認識を用いた圧縮技術を計算過程の簡略化技術と共に用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号の適応差分パルス符号変調（ＡＤＰＣＭ）デルタ値の正負符号を予測するステップと、
前記予測した正負符号に基づいてＡＤＰＣＭ符号化スキームをスキューするステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記スキューされたＡＤＰＣＭ符号化スキームを使用して前記ＡＤＰＣＭデルタ値を符号化するステップをさらに有することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、４つの正側分解能レベルとゼロレベルと３つの負側分解能レベルとからなる３ビット符号化スキームであり、
前記４つの正側分解能レベルを使用して符号化されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２記載の方法において、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、５つの正側分解能レベルとゼロレベルと２つの負側分解能レベルとからなる３ビット符号化スキームであり、
前記５つの正側分解能レベルを使用して符号化されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、
前記ＡＤＰＣＭデルタ値の正負符号は、先行する１又はそれ以上のデルタ値の正負符号に基づいて予測されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、前記音声信号の予測周波数に基づく非対称を使ってスキューされることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記信号の予測周波数は、前記信号の１又はそれ以上の信号特性を評価することによって求められることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
前記評価された１又はそれ以上の信号特性は、信号のゼロ交差、信号の正負符号変化、信号の勾配変化、信号値、及びそれらの組み合わせから選択されることを特徴とする音声データ圧縮方法。
【請求項９】
実行されたとき、システムに、
信号の適応差分パルス符号変調（ＡＤＰＣＭ）デルタ値の正負符号を予測するステップと、
前記予測した正負符号に基づいてＡＤＰＣＭ符号化スキームをスキューするステップと
からなる方法を遂行させる１組の命令が記録された機械読み取り可能な情報記録媒体。
【請求項１０】
請求項９記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記スキューされたＡＤＰＣＭ符号化スキームを使用して前記ＡＤＰＣＭデルタ値を符号化するステップをさらに有することを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１１】
請求項１０記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、４つの正側分解能レベルとゼロレベルと３つの負側分解能レベルとからなる３ビット符号化スキームであり、
前記４つの正側分解能レベルを使用して符号化されることを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１２】
請求項１０記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、５つの正側分解能レベルとゼロレベルと２つの負側分解能レベルとからなる３ビット符号化スキームであり、
前記５つの正側分解能レベルを使用して符号化されることを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１３】
請求項９記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記ＡＤＰＣＭデルタ値の正負符号は、先行する１又はそれ以上のデルタ値に基づいて予測されることを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１４】
請求項９記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、前記音声信号の予測周波数に基づく非対称を使ってスキューされることを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１５】
請求項１４記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記音声信号の予測周波数は、前記音声信号の１又はそれ以上の信号特性を評価することによって求められることを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１６】
請求項１５記載の機械読み取り可能な情報記録媒体において、
前記評価された１又はそれ以上の信号特性は、信号のゼロ交差、信号の正負符号変化、信号の勾配変化、信号値、及びそれらの組み合わせから選択されることを特徴とする情報記録媒体。
【請求項１７】
プロセッサと、
前記プロセッサに接続され、前記プロセッサによって実行されたとき、前記プロセッサに、
信号の適応差分パルス符号変調（ＡＤＰＣＭ）デルタ値の正負符号を予測するステップと、
前記予測した正負符号に基づいてＡＤＰＣＭ符号化スキームをスキューするステップと
からなる方法を遂行させる１又はそれ以上の実行可能な命令が記録されたメモリと
を有することを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１７記載のシステムにおいて、
前記スキューされたＡＤＰＣＭ符号化スキームを使用して前記ＡＤＰＣＭデルタ値を符号化するステップをさらに有することを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８記載のシステムにおいて、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、４つの正側分解能レベルとゼロレベルと３つの負側分解能レベルとからなる３ビット符号化スキームであり、
前記４つの正側分解能レベルを使用して符号化されることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１８記載のシステムにおいて、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、５つの正側分解能レベルとゼロレベルと２つの負側分解能レベルとからなる３ビット符号化スキームであり、
前記５つの正側分解能レベルを使用して符号化されることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項１７記載のシステムにおいて、
前記ＡＤＰＣＭデルタ値の正負符号は、先行する１又はそれ以上のデルタ値に基づいて予測されることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１７記載のシステムにおいて、
前記ＡＤＰＣＭ符号化スキームは、前記音声信号の予測周波数に基づく非対称を使ってスキューされることを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項２２記載のシステムにおいて、
前記音声信号の予測周波数は、前記音声信号の１又はそれ以上の信号特性を評価することによって求められることを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項２３記載のシステムにおいて、
前記評価された１又はそれ以上の信号特性は、信号のゼロ交差、信号の正負符号変化、信号の勾配変化、信号値、及びそれらの組み合わせから選択されることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本願は、２００３年１０月８日出願の米国特許仮出願番号６０／５１０，０７０に関連するものであり、当該出願の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
（著作権上の告知／許諾）
本願において開示した内容は、著作権保護の対象となる資料を含んでいる。著作権者は、米国特許商標庁のファイル又は記録として開示された特許資料又は特許による開示のそのままの複製に対しては、何人によるものであっても一切の異議を唱えない。しかし、その他については、著作権者がすべての著作権を保有する。以下の告知は、後述の、及び、図面に記載したソフトウェア及びデータに関しても適用される。
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【０００３】
（技術分野）
本発明の実施形態は、一般的には音声データ圧縮に関し、特に、省電力で動作するマイクロプロセッサにおいて使用される音声データの圧縮率向上のための方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００４】
音声データ圧縮の量が大きいほど、与えられたマイクロコントローラが蓄積可能な音声の持続時間も大きくなるので、そのために、処理電力及び記憶容量の限られたマイクロコントローラにおいて使用される音声データ圧縮を向上させる多くの試みが、過去数十年間にわたりなされてきた。しかしながら、許容できるレベルにまで歪みを低減する典型的な音声データ圧縮スキームは、多くの低価格製品において利用可能な電力を超える電力を必要とする。
【０００５】
典型的な音声データ圧縮技術である適応差分パルス符号変調（ＡＤＰＣＭ）は、アナログ音声信号（信号）の振幅を一定間隔でサンプリングするＰｕｌｓｅ  Ｃｏｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＣＭ）から導かれるものである。ＡＤＰＣＭは、ＰＣＭ音声符号化のビットレートをさらに低減させた変形である。
【０００６】
ＰＣＭにおいては、サンプリング周期は、信号における最大周波数の典型的には数倍である。各サンプルにおける信号の振幅は、量子化される（すなわち、幾つかの特定の、あらかじめ定められたレベルの最近似値に丸められる）。これらのレベルは多くの計数値で表されるので、ＰＣＭ圧縮スキームの出力は、デジタル信号を構成する一連の２進数である。
【０００７】
ＡＤＰＣＭ圧縮スキームは、サンプル間の差分（デルタ値）だけを符号化し、これらサンプルの差分の大きさの変化に適応するように符号化スケールを動的に調整することによって、ＰＣＭよりも低ビットレートのデジタル信号を生成する。ＡＤＰＣＭの実行は困難なものではないが、高レベルのノイズを発生させる。典型的には、ＡＤＰＣＭシステムは、現在の振幅信号を先行する１又はそれ以上のサンプルに基づいて予測する、バンド帯域圧縮システムである。かかる予測スキームにおける基本は、音声データの多くの事例（例えば、口述音声信号）における基本であり、近傍のサンプル値は高い相関性をもっている。
【０００８】
ＡＤＰＣＭは、適応予測と適応量子化とを使ってビットレートの低減を実現している。典型的には、ＡＤＰＣＭにおけるサンプリングは８ＫＨｚで行われ、隣接したサンプル値間の差分を表現するのに３ないし４ビットが使用される。典型的なＡＤＰＣＭスキームは、８ビット長の信号を符号化された４ビット長のデルタ値で表現することにより、応分の音質で、２対１の圧縮比を実現する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＡＤＰＣＭは、信号の振幅の変化（動き）に応じて可変利得を使用する。すなわち、ＡＤＰＣＭは、信号には小さな振幅期間と大きな振幅期間とがあることを前提として実行されるが、これは、口述音声その他多くのオーディオ信号において通常のことである。デルタを４ビット値として符号化することは、その４ビットが高振幅の信号部分に関するものであるか、低振幅の信号部分に関するものであるかに関係なく、４ビットのみがメモリに蓄積されるということである。４ビットを使うということは、ゼロレベルとともに、８つの正側レベル及び７つの負側レベル（或いはその逆）として表現できる１６の分解能を与えることである。他の表示としては、７つの正側レベル及び７つの負側レベルに２つのゼロレベルをもつものとし、２つのゼロレベルのいずれか一方は使用されないようにするものがある。
【００１０】
典型的なＡＤＰＣＭスキームが、８ビット長の信号を符号化された３ビットのデルタ値を介して符号化するために使用される場合（すなわち、およそ２．６対１の圧縮比）には、原信号に対して許容できない大きさの歪が発生する。３ビット符号化の場合、１つのゼロレベルとともに４つの正側レベル及び３つの負側レベル（又はその逆）として表すことができる、僅か８つの分解能レベルを与えるだけである。この場合にも、他の表現として、３つの正側レベルと３つの負側レベル及びいずれか一方は使用されない２つのゼロレベルがある。４つの分解能レベルは、多くの用途にとって許容できるレベルの品質をもたらすものであるが、３つの分解能レベルはそうではない。このことは、３ビット圧縮スキーム（圧縮比２．６対１）が、多くの用途にとって望ましくないことを意味しており、したがって、与えられたマイクロコントローラにおいて蓄積可能な音声時間を制限するものとなる。
【００１１】
もちろん、電力とメモリ資源が大量にあれば、他にもっと高性能な方法やシステムを採用し（例えば、ＣＥＬＰなど）、歪を要求レベルに抑制しながら、音声データに対する高い圧縮率を達成できる。しかしながら、これらのシステムは、機能的制約をかかえるマイクロプロセッサが動作する多くの用途に対しては非現実的である。
【００１２】
（詳細説明）
以下の説明において、多くの具体的な細部が示される。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な細部なしで実施できるものと理解すべきである。他の点に関しては、発明の理解を不明瞭にしないために、周知の回路、構造、技術は、詳細には示していない。
【００１３】
明細書の記載を通して見られる「一実施形態」や「実施形態」という表現は、その実施形態と関連付けられて記載された個々の特徴、構造、特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれるということを意味するものとする。したがって、明細書の記載を通して随所に見られる「一実施形態において」や「実施形態において」という表現は、実施形態に記載したものと完全に同一なものである必要はない。さらに、かかる個々の特徴、構造、特性は、１又はそれ以上の実施形態において、適当な方法による組み合わせが可能である。
【００１４】
また、創作性を有する側面は、一つの開示された実施形態における全特徴より少ない部分にある。したがって、発明の詳細な説明に続く特許請求の範囲の記載は、本願発明の詳細な説明に明示的に組み込まれるものであり、個々のクレームは、それ自体で独立した、本願発明の実施例となるものである。
【００１５】
本発明の実施形態は、さまざまな代替的実施形態において個別に、あるいは互いに組み合わせて使用される４つのプロセスを採用する改良されたＡＤＰＣＭ符号化スキームを提供するものである。例えば、本発明の一実施形態は、非対称ＡＤＰＣＭ音声データ圧縮スキーム環境内において３ビット符号化を使用することを含むものである。
【００１６】
Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ａとして掲載したものは、本発明の一実施形態における、音声データを圧縮及び伸張するための代表的なソースコードである。
【００１７】
（非対称ＡＤＰＣＭ）
本発明の一実施形態によれば、特定数の符号化ビットに対する有効分解能を向上させるために、非対称ＡＤＰＣＭが採用される。すなわち、３ビット符号化スキームにおいては、例えば、分解能レベルは、１つのゼロレベルとともに、４つの正側レベル及び３つの負側レベルとして表現される。もし、ほとんどの符号化が４つの（すなわち、３つではない）分解能レベルでなされるように符号化がスキューされるならば、典型的には３ビット符号化から生じる歪は減少する。非対称は、高分解能側（例えば、正側）と低分解能側（例えば、負側）とを生成する。次のデルタ値の正負符号を正確に予測することによって、高分解能側でより頻繁に符号化が生じるようにすることができる。信号の優勢な周波数を、先行するデルタ値と共に追跡することによって、かなり精確に信号特性を予測することが可能になる。これにより、符号化がより高い分解能において行われやすくなるようにＡＤＰＣＭ係数をスキューさせる非対称の調整が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に、本発明の一実施形態により、高分解能利得をもってＡＤＰＣＭデルタが符号化されるプロセスを示す。図１に示したプロセス１００は動作１０５で始まり、ここでは、高分解能利得符号化と低分解能利得符号化とをもたらすようにＡＤＰＣＭ係数がスキューされる。例えば、３ビット符号化スキームについては、ＡＤＰＣＭ係数が４つの正側レベルとゼロレベルと３つの負側レベルとをもたらずようにスキューされる。代替的な実施形態においては、これら係数をさらにスキューさせてもよい（例えば、５つの正側レベルとゼロレベルと２つの負側レベル）。
【００１９】
動作１１０において、直後のＡＤＰＣＭデルタ値（次のデルタ値）の正負符号が予測される。この予測は、種々の指標に基づいた多くの方法で行うことができる。例えば、入力信号曲線の導関数は、通常は連続しているので、正のデルタ値の次には、通常は、他の正のデルタ値が続き、また、正のデルタ値の次にデルタ値ゼロが続いた場合、通常は、その次には負のデルタ値が続く。これらの、又は他の同様の指標は、典型的な信号に対する後続のデルタ値の正負符号に関し、かなり正確な予測を行うために利用できる。
【００２０】
動作１１５において、予測された次のデルタ値が高分解能利得を使って符号化されるかどうかが決定される。もし、そうであれば、動作１２０において、次のデルタ値が高分解能符号化を使って符号化される。すなわち、例えば、次のデルタ値に対する予測した値が正の値であって、ＡＤＰＣＭ係数が正の値に対して高分解能を与えるようスキューされたとすると、次のデルタ値は、高分解能利得を使って符号化される。
【００２１】
動作１１５において、予測された次のデルタ値が高分解能利得を使って符号化されない場合には、動作１１６において、ＡＤＰＣＭ利得が反転される。動作１１６では、次のデルタの予測された正負符号に従って高分解能利得がもたらされる。すなわち、例えば、次のデルタ値に対する予測値が負の値であって、ＡＤＰＣＭ係数が正の値に対して高分解能を与えるようスキューされたとすると、ＡＤＰＣＭ係数が反転され、今度は負の値に対して高分解能を与える。ＡＤＰＣＭ利得が反転された後は、動作１２０において、次のデルタ値は、高分解能利得を使って符号化される。
【００２２】
動作１２１において、信号が終端していなければ、次のデルタを繰り返し予測することによって、プロセスが続けられる。動作１２２において、信号が終端したとき、プロセスは終了する。
【００２３】
次のデルタ値の予測が正確であれば、スキューの度合が大きいほど、次のデルタ値の符号化に対する分解能は向上する。誤った次のデルタの予測に対しては、スキューの度合が小さいほど、大きな分解能を与える。誤って予測された次のデルタ値に対しては、他の補償手段もある。入力信号曲線は通常は連続的であるので、例えば、正のデルタ値の次に負のデルタ値が続き、その次に正のデルタ値が続くことは、この場合も、高周波数信号（ナイキスト周波数の近傍）を示すものとなる。誤った予測を導き得るこの種の信号は、通常の口述においては稀であり、人間の耳が典型的には非常に敏感ではない音声スペクトル領域にある。このような信号は、その信号を含むように利得を十分に上げることによって対処できる。
【００２４】
（多様な非対称）
本発明の一実施形態によれば、ＡＤＰＣＭ係数は、図１の動作１０５に関連して上述した高分解能利得符号化及び低分解能利得符号化を与えるために、スキューされる。最も正確なモデルを提供する非対称の範囲は、経験的に決定される。したがって、最も精度が高く効果的な符号化は、符号化対象信号の周波数によるものとなる。例えば、高周波信号（つまり、ナイキスト周波数に対して高い周波数を有する）は、デルタの急激な変化を生ずる。もし、あるサンプルに対する信号値が増加傾向にある場合には、その次のサンプルでは、その信号値は減少傾向にあることが多い。このことから、高周波信号におけるより正確な結果は、より高度の非対称性のもとで得られる。本発明の一実施形態においては、信号周波数が求められ、非対称はこの周波数に基づいて調整される。
【００２５】
図２に、本発明の一実施形態により、非対称ＡＤＰＣＭ圧縮スキームのための非対称が実現されるプロセスを示す。図２に示したプロセス２００は、動作２０５から開始し、ここでは、種々の周波数に対応した、とり得る非対称の数が決定される。図３に、３ビット符号化システムに対してとり得る非対称をいくつか示している。非対称３０１は非対称が極端に負側に偏った例であり、非対称３０２は非対称が適度に負側に偏った例であり、非対称３０３及び３０４は非対象性の偏りが最小（負側及び正側それぞれ）の例であり、非対称３０５は非対称が適度に正側に偏った例であり、非対称３０６は非対称が極端に正側に偏った例である。多くの非対称の各々について、信号の周波数領域の対応する周波数領域が決定される。例えば、８ｋＨｚのサンプリング周波数を持った信号においては、３．５〜４．０ｋＨｚにおよぶ比較的高い周波数領域が、極端に負側に偏った非対称に合致する（例えば、１つの正側分解能レベル及び１つのゼロ分解能レベル及び６つの負側分解能レベル）。同様に、比較的低い周波数（例えば、１〜２ｋＨｚ）が、最小の非対称に合致する（例えば、４つの正側分解能レベル及び１つのゼロ分解能レベル及び３つの負側分解能レベル）。
【００２６】
動作２１０において、信号の周波数が予測される。周波数は、種々様々な複雑性（例えば、優勢な周波数及び先行するデルタ値を使った）の中で決定することができる。周波数を決定するのに最も簡単な方法は、周波数が典型的には頻繁に、また、劇的に変化するものではないという理由より、決定した周波数を予測した周波数として使うことである。
【００２７】
動作２１５において、デルタは、予測された周波数を含む周波数領域に対応した非対称を使って符号化される。
【００２８】
図２Ａに、本発明の一実施形態により、非対称が周波数に基づいて選択されるプロセスを示す。図２Ａに示したプロセス２００Ａは、動作２０５Ａから開始し、ここでは、信号周波数が決定される。この信号周波数は、一実施形態においては、ゼロ交差を計数し平均化することによって求められる。例えば、比較的少ないゼロ交差の数は緩やかに変化する曲線（低周波信号）を示し、反対に、比較的多いゼロ交差の数は高周波信号を示す。
【００２９】
動作２１０Ａにおいて、特定の非対称に対応して種々の周波数領域が求められる。例えば、信号のナイキスト周波数に関連する周波数領域には、「非常に低い」「低い」「適度な」「高い」「非常に高い」という領域が含まれている。
【００３０】
動作２１５Ａにおいて、求められた周波数が存在する周波数領域に基づいて、非対称が選択される。例えば、非常に低い周波数領域に対しては極端に正側に偏った非対称（例えば、非対称３０６）が使用され、低い周波数領域に対しては適度に正側に偏った非対称（例えば、非対称３０５）が使用され、適度な周波数領域に対しては（正側又は負側）偏りが最小の非対称（例えば、非対称３０３や３０４）が使用され、高い周波数領域に対しては適度に負側に偏った非対称（例えば、非対称３０２）が使用され、非常に高い周波数領域に対しては極端に負側に偏った非対称（例えば、非対称３０１）が使用される。
【００３１】
（計算簡略化）
ＡＤＰＣＭ符号化に要求される典型的な計算は、その品質を維持又は向上させ続ける限り、実質的に減らすことができる。
【００３２】
（ＡＤＰＣＭ係数テーブル）
本発明の一実施形態によれば、ＡＤＰＣＭ係数を簡略化し、予備演算するテーブルの実施は、従来スキームと比較して、ＡＤＰＣＭデルタを符号化するために要求されるプロセスリソースの実質的な軽減につながる。一実施形態では、このテーブルは一定数の離散的な利得値を持っている。このようなテーブルによれば、より高度の数学により近似される特性をもつ利得値を与え、しかも、複雑な数学的転換の必要性を回避することができる（例えば、対数／逆対数、数学的丸め、等）。
【００３３】
本発明の一実施形態により、利得値テーブルは、その全てが、
2007511928.tif 000004
という形式であらわされる無数の値を持っている。例えば、このテーブルは、
2007511928.tif 000005
の倍数となる利得値に制限することができる。このような制限は、２進演算を大きく軽減し、従って、軽減された処理要求のもとでシステムを実現することができる。
【００３４】
本発明の一実施形態によれば、利得値テーブルは、最小利得において整数値を含むことができる。このようにすると、利得は、複雑な演算や丸め誤差に固有のエラーによる歪を受けることなく選択できるようになる。このことは、単に一計数値分の誤差でも可聴歪を引き起こすことになる最小利得において、特に重要である。一実施形態では、基本数（０，１，３，及び４）がテーブルに含まれ、これらは一意である。これにより、最も小さく、最も緩やかに変化する信号を正確に、また、ＡＤＰＣＭ係数を計算する従来技術に典型的な、値の喪失から生ずる複製や歪といった無駄のない符号化が可能になる。
【００３５】
（限界テーブル）
以上に加えて、あるいは、以上に替えて、与えられたデルタに適合する利得値を、迅速かつ効率的に決定することができる限界テーブルを実施することができる。この限界テーブルは、とり得るデルタの各々に対してどの利得値（例えば、利得値テーブルから）を適用するかを、あらかじめ定義する。例えば、一実施形態において、２つの連続した利得値の平均を求め、この平均値より下にあるデルタは、使用されている連続した２つの利得値の低い方となるようにし、平均値にあるデルタ又は平均値より上にあるデルタは、使用されている連続した２つの利得値の高い方となるようにすることができる。
【００３６】
さらに、リミットに利得の維持を促進する重み付けをすることよって、大きな信号における量子化歪は、さらに軽減される。このような重み付けの結果として、一連の量子化による誤差ではなく、単一値の誤りが認識されるようになる。例えば、最大の利得値に対するリミットが、この最大の利得値が選択される機会がより少なくなるように重み付けされたとすれば、より良好なノイズ比を得ることができる。その理由は、利得が急激に増大するとき、後続するいくつかのサンプルが、対応するだけ低減された分解能をもって符号化されるからである。一方、単一のサンプルにおける一つの誤差を許容できる場合には、いくつかの後続サンプルは、より正確に符号化することができる。音声品質の見地から、単一のサンプルにおける比較的大きなエラーは、多数の、比較的小さなエラーより好ましい。
【００３７】
図４に、本発明の一実施形態により、ＡＤＰＣＭ利得値が選択されるプロセスを示す。図４に示したプロセス４００は、動作４０５から開始し、ここでは利得値テーブルが生成される。この利得値テーブルは、一定数の離散的な利得値を含んでいる。上述したように、代替的な実施形態においては、このようなテーブルは、計算の複雑性を軽減するように選択された値（例えば、
2007511928.tif 000006
の形式で表される全ての値）を含んでも良いし、小さな信号の歪を軽減するように選択された値（最小利得に対する基本数）を含んでも良い。
【００３８】
動作４１０において、各デルタ値を利得値テーブルの対応する利得に割り当てる限界テーブルが生成される。すでに述べたように、代替的な実施形態では、このテーブルに、割り当ての基本である平均化スキームを実施してもよいし、他の基本手法を使用してもよい。
【００３９】
動作４１５において、デルタ値が受け取られ、限界テーブルの参照により対応する利得値が決定され、デルタを符号化するために使用される。
【００４０】
このような限界テーブルの使用によって、ある程度大きな信号に拡張する理想的な復元が可能となり、また、小さなシステムで典型的に実施される単純比較法に比べ、より良好な品質を与えることができる。さらに、実時間演算に関連する打切り誤差を減らすことによって、この限界テーブルの実施は、典型的な先行スキームの洗練された比較法に比べて、より高い品質を与える。
【００４１】
（可変ホールドオフ）
利得制御ホールドオフは、大きな信号が検出された後、一定期間高利得を維持するための技術である。この技術は、信号の高利得期間において小さな利得の割り当てを引き起こす、利得の急速な低下を回避するためのものである。このような低下は、大きな誤差の原因になることがある。典型的には、利得制御ホールドオフは、大きな信号が検出された後、特定数のサンプルの利得調整を一時停止する。この技術は、大きな信号の細部が不必要に粗い分解能をもって符号化されるので、最善の結果をもたらさないことが多い。
【００４２】
本発明の一実施形態によれば、可変利得制御ホールドオフ（可変ホールドオフ）スキームは、異なる状況に対して利得ホールドオフの量を変えるように実施される。可変ホールドオフスキームによって、信号曲線を一層効率的にトラバースすることが可能になる。利得は、従来スキームに比べて一層迅速に変化させて、重畳された信号の短期間特性に合致させることができる。一実施形態において、一組のホールドオフ値（すなわち、サンプル数）は、ホールドオフ値の各々が１又はそれ以上の信号特性又はデルタ値に対応するように決定される。例えば、先行する利得が正の最大であったとすると、ホールドオフは５サンプルとなる。反対に、先行する利得が負の最大であったとすると、ホールドオフは４サンプルとなる。さらに、利得がいずれかの値から負の最大値に向かう場合には、ホールドオフは異なる値をとってもよい。この可変ホールドオフスキームは、微細な調整を可能にし、かつ、符号化誤差の転換により、良い品質を得ることを可能にする。
【００４３】
可変ホールドオフは、一定周波数の信号や比較的緩やかに変化する信号に対する品質向上には寄与するが、より高い周波数、特にナイキスト周波数近傍においては、このような低周波数ホールドオフ規約は適切ではなくなる。このような場合には、他の利得調整基準が採用される。例えば、２つの負の最大を連続して受け取ったときには、利得を減少させる場合の短期間のホールドオフがあるのではなく、これらの状況下で、利得が実際には増大しているのことになる。さらに、振幅が増大している高周波数信号に対しては、利得は、小さな増分の数倍だけ利得が増加させられたとき、最も良好に追従する。
【００４４】
図５に、本発明の一実施形態により、ＡＤＰＣＭ利得調整のためのホールドオフ値を決定するのに１又はそれ以上のデルタ値が使用されるプロセスを示す。図５に示したプロセス５００は、動作５０５から開始し、ここでは、一組のホールドオフ値が決定される。一実施形態において、各ホールドオフ値は、１又はそれ以上のデルタ値に対応する。
【００４５】
動作５１０において、１又はそれ以上のデルタ値がホールドオフ値に対応することを確認するために、受け取ったデルタ値が評価される。
【００４６】
動作５１５において、対応するホールドオフ値のためにＡＤＰＣＭ利得の調整が遅延される。
【００４７】
（ゼロ交差）
信号曲線の相対運動（つまり、信号の主要周波数）は、上述したゼロ交差の数によって求められる。低周波信号は、比較的小さなデルタを伴った大きく平坦な領域を有している。このような領域においては、これらの点における信号のニュアンスを把握するために、利得を１周期内に収まるようにスケールダウンさせることが望ましい。そうすることによって、比較的高いデルタを伴った低周波信号の急峻な部分においては、利得はスケールアップされる。
【００４８】
対照的に、高周波信号は、小さなデルタを伴ったこれらの大きな領域を有しておらず、したがって、利得をできる限り一定に保持しておくことが望まれる。本発明の一実施形態によれば、信号の主要周波数を確立するために、ゼロ交差が計数され、平均化される。これにより、信号の上部及び下部における分解能を無駄にすることなく、全信号を把握するためのＡＤＰＣＭ利得パラメータ調整が可能になる。つまり、利得は、より高い周波数における信号だけを含むように迅速に実現される。
【００４９】
図６に、本発明の一実施形態により、ＡＤＰＣＭ利得パラメータを調整する際にゼロ交差が使用されるプロセスを示す。図６に示したプロセス６００は、動作６０５から開始し、ここでは、主要周波数を確立するためにゼロ交差の数が計数され、平均化される。
【００５０】
動作６１０において、周波数が低周波又は高周波のいずれであるかの判定が行われる。
【００５１】
もし、周波数が高周波であると判断されると、動作６１１において、ＡＤＰＣＭ利得は一定に保持される。
【００５２】
もし、周波数が低周波であると判断されると、動作６１２において、ＡＤＰＣＭ利得は比較的小さなデルタ及び比較的大きなデルタを持つ信号部分に対して迅速に調整される。
【００５３】
ゼロ交差の平均化処理は、積算器（積分器）で代用可能であり、メモリに対する要求量を軽減できる。
【００５４】
（不安定係数）
典型的なＡＤＰＣＭ従来技術は、予測値が選択されたときに、利得を安定に保つように設計されてきた。また、従来技術システムは、もっとも近接した値を符号化するものであり、その他の手法で符号化を行うようには設計されていなかった。経験的には、安定なシステムよりも不安定なシステムの方がより良好な圧縮を与えると考えられてきた。つまり、不安定な利得は機敏にその向きを変えることが可能で、それゆえ、より応答性が良いというものである。この応答性は、より高い圧縮比をもたらすものとなるが、利得が大きくなり過ぎて、誤りを含んだ符号化をもたらすことになる。この不安定性は、最良の予測に続いて、理想的な後続値だけでなく、場合によっては非理想的な利得が導かれ、かつ、場合によっては非理想的な非対称も導かれる（本発明の一実施形態によれば、非対称ＡＤＰＣＭが採用されるシステムにおいて）という結果になる。従来技術ＡＤＰＣＭでは、利得の応答性は、良好な安定性をもたらすように十分に低く保持されていた。
【００５５】
本発明の一実施形態によれば、システムは、不安定な利得及び非対称の大きな応答性を利用するように、さらには、過度の誤った出力を避けるための不安定性をも活用するように、実行される。一実施形態では、利得は、信号の所望部分においては急速に変化できるが、理想的な予測値だけでなく、理想的な利得によっても、後続値を選択するようにすることによって、制限される。
【００５６】
一実施形態においては、将来の信号特性の表示が、より正確な後続の符号化を行うために使用される。これは、後続の信号特性を決定するために１又はそれ以上のサンプルを評価し、現行のサンプル中にある付加情報領域にこれらの特性の表示を含めることによって行われる。これらの将来の信号特性は、もともと不安定である利得係数を安定させるために使用され、こうして、信号の変化に対する良好な応答性がもたらされる。例えば、不安定性のために誤った値が生じることになる点まで利得が大きくなろうとしている場合には、次善の符号化（つまり、予測された値ではなく）を使用して利得を抑制することができる。後続の値に関連するエラーは、利得の不安定性によるエラーより少ない。すなわち、将来においてより良好な状況を得るために、次善策を選択することができる。
【００５７】
加えて、将来の信号特性を使うことにより、将来の利得変化や周波数変化を符号化する際の予測が可能になる。例えば、現行の符号化のために次善の値を使って発生した誤りは、後続の符号化に際してもっと最適な利得を使うことにより、埋め合わせが可能である。さらに、将来の信号特性を評価することによって可能になる、早期の利得抑制を行うことにより、曲線の現在の予測誤りに対してある程度の補完が可能になる。
【００５８】
図７に、本発明の一実施形態により、将来の信号特性がＡＤＰＣＭ符号化を決定するために使用される方法を示す。図７に示したプロセス７００は、動作７０５から開始し、ここでは、将来の信号特性を決定するために後続のサンプル数が評価される。一実施形態において、評価された後続のサンプル数は７である。
【００５９】
動作７１０において、将来の信号特性が、不安定性による誤った符号化を示しているかどうかの評価がなされる。
【００６０】
もし、将来の信号特性が不安定性による誤った符号化を示していないならば、動作７１１において、後続のデルタ値は、予測された値を使って符号化される。
【００６１】
もし、将来の信号特性が不安定性による誤った符号化を示しているならば、動作７１２において、信号特性を安定化させる値（つまり、システムを安定状態に復帰させる）を使って、１又はそれ以上の後続のデルタが符号化される。
【００６２】
また、誤った期間は、それを聞く人の耳の能力によって重み付けすることができ、これは、大きな信号の間における誤り又はその直後における誤り、及び、ノイズバースト中の誤りに対する重み付けを減らすことを含むが、それに限るものではない。
【００６３】
値の重なり（最大の負の値に段階的に変化している最大の正の値）を許すことは、係数の安定性も使用されるようないくつかの場合において、計算量を削減し、品質の向上をもたらす。
【００６４】
（パターン認識）
オーディオデータには、多くの共通するパターンや繰り返しのパターンがあり、人間の口述に関しては特にそうである。このような共通パターンは、ＡＤＰＣＭデルタにおいても同様に明らかである。これらの共通パターン（例えば、信号の共通曲線）は小さな信号であることが多い。本発明の一実施形態によれば、このような共通パターンを認識しこれらをより効率的な手法で符号化することによって、音声データ圧縮の性能を向上させることができる。
【００６５】
本発明の一実施形態においては、認識された共通パターンは、次のほとんどの共通信号を、より簡単に識別できるような手法で、抽出され圧縮される。
【００６６】
（共通パターン）
本発明の一実施形態は、圧縮率を向上させるために代りに圧縮できる共通パターンを認識すること含む。このようなパターンは多数存在する。例えば、ＡＤＰＣＭデルタの一連のゼロ値は、無音を表す共通の事象である。口述は、典型的には信号バーストによって表現され、一定時間の無音若しくは非常に低い信号がその後に続くので、これは一般的なパターンである。一連のゼロの圧縮は、典型的には、別の共通パターンである小ステップに隣接している。小ステップとは、一連のゼロが後に続く小さな値（正又は負）である（例えば、１００００００）。小ステップの圧縮は、典型的には基本曲線（共通曲線）に隣接する。本発明の一実施形態は、このような共通パターンや基本曲線を識別し、起こり得る後続の信号の挙動を予測するプロセスを含んでいる。このような多くの基本曲線が識別可能である。Ａｐｐｅｎｄｉｘ．Ａに収録されたソースコードは、経験的に定められた６４のもっとも一般的な基本曲線であり、マクロとして符号化されている。
【００６７】
反復的なゼロや、ゼロが後続する小ステップ、或いは他の共通曲線が識別されると、識別されたパターンは、より高度の圧縮を与えるために、ＡＤＰＣＭ符号化に代わる手法を使って符号化される。例えば、一連のゼロは、ランレングスの符号化その他同様のデータ圧縮スキームを使って符号化することができる。つまり、識別されたパターンが決まると、このパターンの継続中はＡＤＰＣＭ符号化を中断し、この曲線を形成するデルタは、代りの符号化スキームによって符号化される。例えば、一連のＡＤＰＣＭゼロデルタ値の系列が識別されると、ランレングス符号化等の典型的なデータ圧縮スキームを使って符号化が行われる。
【００６８】
パターンを構成するデルタの数は、代りの符号化が圧縮度の増大を与えるのに適切な最小の閾値とすべきである。つまり、圧縮度を向上させるために、パターンを表示し記述するために使われるビット数は、ＡＤＰＣＭを使ってパターンを符号化するために要求されるビット数よりも少なくすべきである。一実施形態では、一連のゼロ及び小ステップのための閾値は３つのデルタであり、基本曲線のための閾値は５つのデルタである。
【００６９】
図８に、本発明の一実施形態により、代替的な符号化スキームを使用して共通パターンが求められ、符号化されるプロセスを示す。図８に示したプロセス８００は、動作８０５から開始し、ここでは、１又はそれ以上の共通パターンが決定される。
【００７０】
動作８１０において、共通パターンを識別するための試みとしてデルタ値の数が評価される。一実施形態において、このデルタ値の数は５である。
【００７１】
動作８１５において、デルタ値が特定の共通パターンを形成しているかどうかの決定がなされる。
【００７２】
もし、これらのデルタ値が共通パターンを形成しないときは、動作８１６において、これらのデルタ値は、本発明の多様な実施形態によるＡＤＰＣＭ基調の符号化スキームを使用して符号化される。
【００７３】
もし、これらのデルタ値が共通パターンを形成するときは、動作８１７において、デルタ値は、このような値に適合し、ＡＤＰＣＭ符号化よりも良好な圧縮を与えるデータ圧縮スキームを使って符号化される。例えば、これらのデルタ値は、ランレングス符号化又は同様のデータ圧縮技術を使って符号化することができる。他の実施形態では、これらのデルタ値を、マクロテーブル・ルックアップ技術を使って符号化してもよい。
【００７４】
（ポストパターン利得リセット）
本発明の一実施形態において、共通パターンが符号化された後は、利得は、特定の正負符号にリセットされる。例えば、ＡＤＰＣＭの正負符号は、小ステップに追従しながら、特に同じ正負符号で基本曲線が見られるよう管理される。このようになされる理由は、スモールステップの増加に対しては、例えば、基本曲線も同様に増加するであろうことが予期されるからである。加えて、このようなパターンの後の利得をリセットすることにより、複数のゼロ値デルタによる利得の繰り返し反転が回避される。この予測可能な正負符号により、後続する基本曲線の検出がより効果的になる。
【００７５】
（パターン表示）
３ビット符号化スキームが実施される本発明の一実施形態においては、１６ビットワードの各々は、３ビット値として符号化された５つのデルタを含み、したがって、この１６ビットワードの、最も意味のある利用可能な１ビットが残されることとなる。この最初のビットは、認識されたパターンのフラグに使われる。一実施形態において、１ビットはパターンの有無を表すのに使用され、１又はそれ以上の付加ビットが、数あるパターンの中から特定のパターンを識別するために使用される（例えば、特定のパターンに対応するマクロを識別する）。
【００７６】
（システム）
図９に、本発明の一実施形態による、圧縮音声データを格納するためのマイクロコントローラを示す。図９に示したマイクロコントローラ９００は、プログラムメモリ９１０及びデータメモリ９１５に接続されたマイクロプロセッサ９０５を有している。プログラムメモリ９１０は、例えば、ＲＯＭやＥＰＲＯＭ等で構成してもよく、音声データ圧縮関数９１１や圧縮音声データ９１２を格納する。本発明の実施形態は、より効果的な音声データ圧縮を与えるもので、したがって、より継続時間の長い音声トラックを固有サイズのＲＯＭに記憶することができる。データメモリ９１５は、本発明の多様な実施形態において音声データ圧縮に関する演算に使用され、例えば、ＲＡＭやＳＲＡＭ等で構成することができる。マイクロプロセッサ９０５は、周辺機器９２１との間でデータの通信をするために、Ｉ／Ｏデバイス９２０にも接続されている。マイクロプロセッサ９０５は、典型的には単一構成の回路チップ上に実装されるが、同一チップ上に１又はそれ以上の他のモジュールを組み込んでもよい。
【００７７】
（一般事項）
本発明の実施形態を、３ビットＡＤＰＣＭ音声データ圧縮スキームに関して説明してきた。このようなシステムに対して、本発明の実施形態は、典型的な従来技術スキームと比較して、増大した可変圧縮比（例えば、およそ３：１）、増大した固定圧縮比（例えば、およそ２．７：１）、及び等しい圧縮比（例えば、２：１）であるが、より高い品質を有する圧縮比を与えるために使用することができる。他の実施形態を、音声及び他の非音声データを圧縮するＡＤＰＣＭ以外の技術や、より多くのビット又は少ないビットを使用する符号化を含む、他の多様な環境の中で実施してもよい。いくつかの代表的な代替的方法を以下に述べる。
【００７８】
（代替的方法）
以下は、本発明の代替的な実施形態をいくつか掲げたリストである。このリストで全てという意味ではない。
【００７９】
本発明の一実施形態において、信号の現行値は、ＡＤＰＣＭ値に代わって符号化されたパターンとすることができる。これは、異なる利得における照合が、より多くの照合機会を生じさせることとなるので、効率を下げる場合もある。
【００８０】
本発明の一実施形態において、緩やかに変化する信号を、変曲点及び極大として符号化してもよい。このような符号化は、許容範囲を越えてノイズ歪を増加させる場合がある。
【００８１】
本発明の一実施形態において、信号の２次導関数を符号化するようにすれば、原信号は容易に復元でき、この２次導関数が僅か４カウント程度しか違わない場合でも、典型的には大きな間隔を有することになるので、この符号化は無損失である。このような実施形態においては、各シングルビットエラーが大きく増幅されてしまうので、この２次導関数を損失性手法によって圧縮することはできない。
【００８２】
本発明の一実施形態において、この２次導関数の振幅は、原信号部分（一般には、位相外れである）を加えることによって、わずかに減少させることができる。
【００８３】
本発明の一実施形態において、原信号は、無音部分近傍をゼロ値に抑制するために前処理することができる。このような実施形態においては、圧縮率は飛躍的に向上するが、意味のある信号が損失する可能性がある。
【００８４】
本発明の一実施形態において、処理をより効率的にするために、信号に前処理を施しても良い（例えば、平坦なスポットを平滑化する）。
【００８５】
本発明の一実施形態において、２ビットにそれぞれ適合する７つの小さな値は、いくつかのフラグビットを含む一つのワードに符号化してもよい。しかし、こうすると、基本曲線検出の労力を繰り返すことになる。
【００８６】
本発明の一実施形態において、複数のステップカーブは、一連のゼロ値デルタとそれに続く単一のステップとして代替的に検出することができる。この形状は、一連のゼロの後には発生しにくく、圧縮解除に対する効果も低い。
【００８７】
本発明の一実施形態において、周波数は、ゼロ交差以外の特性を計数することによって、代替的に検出することができる。このような特性には、これに限定されるものではないが、正負符号の変化、勾配変化、後継曲線の平坦部分、が含まれる。
【００８８】
本発明の実施形態は、多様な動作を含んでいる。この方法の多くが、それぞれ最も基本的な形で記載されているが、本発明の本質を逸脱しない限りにおいて、各動作は、これらの方法のいずれに加えても、また、これらの方法のいずれから取り除いても構わない。
【００８９】
本発明の動作は、ハードウェアコンポーネントによって実行することができ、あるいは、汎用又は特殊な目的で製造されたプロセッサやロジック回路において使われ、動作を実行する命令を伴ったプログラムとして搭載される、機械上で実行可能な命令に組み込んでもよいことは、当業者にとって明らかである。代替的に、これらのステップを、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって動作させてもよい。本発明の多様な実施形態は、本発明の多様な代替的な実施形態による処理を実行させるようにコンピュータ（あるいは、他の電子機器）をプログラムするために使用される命令を記録した機械読み出し可能な媒体を含んだコンピュータプログラム製品として供給してもよい。機械読み出し可能な記録媒体としては、これに限定されるものではないが、フレキシブル・ディスク、光学ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光学式カード、フラッシュメモリ、その他電気的命令を蓄積するのに適したメディア／機械読み出し可能な記録媒体が含まれる。加えて、本発明の実施形態を、コンピュータプログラム製品としてダウンロードされるようにしてもよい。このとき、プログラムは、通信セル（例えば、モデムやネットワーク接続）によって搬送波又は他の伝送媒体に組み込まれたデータ信号として、遠隔のコンピュータからプログラムを要求中のコンピュータに転送することができる。
【００９０】
本発明について、いくつかの実施形態の見地から説明してきたが、当業者であれば、本発明が上記実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の本質を逸脱しない限りにおいて、置換や修正が可能であるということが理解できるであろう。本明細書の記載は、このように、限定としてではなく例示として考慮されるべきである。
【００９１】
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【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいてＡＤＰＣＭデルタ値が高分解能利得をもって符号化されるプロセスを説明するフロー図。
【図２】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいて非対称ＡＤＰＣＭ圧縮スキームに対する非対称が実施されるプロセスを説明するフロー図。
【図２Ａ】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいて非対称が周波数に基づいて選択されるプロセスを説明するフロー図。
【図３】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおける３ビット符号化時の非対称の構成例を示す構成図。
【図４】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいてＡＤＰＣＭ利得値が選択されるプロセスを説明するフロー図。
【図５】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいて１又はそれ以上のデルタ値がＡＤＰＣＭ利得調整のためのホールドオフ値を決定するために使用されるプロセスを説明するフロー図。
【図６】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいてゼロ交差がＡＤＰＣＭ利得パラメータを調整するために使用されるプロセスを説明するフロー図。
【図７】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいて将来の信号の特性がＡＤＰＣＭ符号化を決定するために使用される方法を説明するフロー図。
【図８】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおいて共通する基本曲線が検出されて圧縮されるプロセスを説明するフロー図。
【図９】本発明の一実施形態の音声データ圧縮方法及びシステムにおける音声圧縮データを蓄積するマイクロコントローラの構成を説明する構成図。
【符号の説明】
【００９３】
９０５  プロセッサ
９１０  プログラムメモリ
９１１  音声データ圧縮ファンクション
９１２  圧縮音声データ
９１５  データメモリ
９２０  Ｉ／Ｏデバイス
９２１  周辺機器
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007511928.tif 000069
【図７】
2007511928.tif 000070
【図８】
2007511928.tif 000071
【図９】
2007511928.tif 000072
【国際調査報告】
2007511928.tif 000073
2007511928.tif 000074