(57)【要約】【課題】  音質の向上、トーン信号に対する忠実度の向上、および背景ノイズに対するロバスト性の向上を図った相互使用可能なボコーダを提供する。【解決手段】  ディジタル音声サンプル・シーケンスをビット・ストリームにエンコードする際、ディジタル音声サンプルを１つ以上のフレームに分割し、これらのフレームについて１組のモデル・パラメータを計算する（２０５）。１組のモデル・パラメータは、ピッチ情報を搬送する第１パラメータを少なくとも含む。フレームの発声状態を判定し、判定したフレームの発声状態が、１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、フレームの判定した発声状態を示すように、ピッチ情報を搬送する第１パラメータを変更する。モデル・パラメータを量子化して量子化ビットを発生し（２１０）、これらを用いてビット・ストリームを生成する（２１５）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディジタル音声サンプル・シーケンスをビット・ストリームにエンコードする方法であって、
前記ディジタル音声サンプルを１つ以上のフレームに分割するステップと、
多数のフレームに対してモデル・パラメータを計算するステップであって、該モデル・パラメータがピッチ情報を搬送する第１パラメータを少なくとも含む、ステップと、
フレームの発声状態を判定するステップと、
判定した前記フレームの発声状態が１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、判定した前記フレームの発声状態を示すように前記ピッチ情報を搬送する第１パラメータを変更する、ステップと、
前記モデル・パラメータを量子化して量子化ビットを発生し、これらを用いて前記ビット・ストリームを生成するステップと、
から成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、前記モデル・パラメータは、更に、スペクトル強度情報を決定する１つ以上のスペクトル・パラメータを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
前記フレームの発声状態を多数の周波数帯域について判定し、前記モデル・パラメータは、更に、前記多数の周波数帯域において前記判定した発声状態を示す１つ以上の発声パラメータを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記発声パラメータは、各周波数帯域における前記発声状態を、有声、無声またはパルス状のいずれかとして示すことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記１組の保存してある発声状態は、有声として示す周波数帯域がない発声状態に対応することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項３記載の方法において、判定した前記フレームの発声状態が１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、全ての周波数帯域を無声として示すように、前記発声パラメータを設定することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項４記載の方法において、判定した前記フレームの発声状態が１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、全ての周波数帯域を無声として示すように、前記発声パラメータを設定することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項５記載の方法において、判定した前記フレームの発声状態が１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、全ての周波数帯域を無声として示すように、前記発声パラメータを設定することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６記載の方法において、前記ビット・ストリームを生成するステップは、誤り訂正コーディングを前記量子化ビットに適用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、前記生成したビット・ストリームは、APCO Project 25に用いられる標準的なボコーダと相互使用可能であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項３記載の方法において、前記フレームの発声状態を判定するステップは、前記フレームが発声活動ではなく背景ノイズに対応する場合、全ての周波数帯域において前記発声状態を無声に設定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項４記載の方法において、前記フレームの発声状態を判定するステップは、前記フレームが発声活動ではなく背景ノイズに対応する場合、全ての周波数帯域において前記発声状態を無声に設定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項５記載の方法において、前記フレームの発声状態を判定するステップは、前記フレームが発声活動ではなく背景ノイズに対応する場合、全ての周波数帯域において前記発声状態を無声に設定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項２記載の方法であって、更に、
ディジタル音声サンプルのフレームを分析してトーン信号を検出するステップと、
トーン信号を検出した場合、該検出したトーン信号を表すように前記フレームに対して前記１組のモデル・パラメータを選択するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記検出したトーン信号はＤＴＭＦトーン信号を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の方法において、前記検出したトーン信号を表すように前記１組のモデル・パラメータを選択するステップは、前記検出したトーン信号の振幅を表すように、前記スペクトル・パラメータを選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の方法において、前記検出したトーン信号を表すように前記１組のモデル・パラメータを選択するステップは、前記検出したトーン信号の周波数に少なくとも部分的に基づいて、ピッチ情報を搬送する前記第１パラメータを選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６記載の方法において、前記検出したトーン信号を表すように前記１組のモデル・パラメータを選択するステップは、前記検出したトーン信号の周波数に少なくとも部分的に基づいて、ピッチ情報を搬送する前記第１パラメータを選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項６記載の方法において、前記フレームのスペクトル強度情報を決定する前記スペクトル・パラメータは、前記ピッチ情報を搬送する第１パラメータから決定した基本周波数の高調波から計算した１組のスペクトル強度パラメータを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
ディジタル音声サンプル・シーケンスをビット・ストリームにエンコードする方法であって、
前記ディジタル音声サンプルを１つ以上のフレームに分割するステップと、
フレームの前記ディジタル音声サンプルがトーン信号に対応するか否か判定するステップと、
多数のフレームについてモデル・パラメータを計算するステップであって、該モデル・パラメータが、前記ピッチを表す第１パラメータと、該ピッチの高調波倍数におけるスペクトル強度を表すスペクトル・パラメータとを少なくとも含む、ステップと、
フレームの前記ディジタル音声サンプルがトーン信号に対応する場合、該検出したトーン信号を近似するように、前記ピッチ・パラメータおよび前記スペクトル・パラメータを選択するステップと、
前記モデル・パラメータを量子化して量子化ビットを発生し、これらを用いて前記ビット・ストリームを生成するステップと、
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、前記１組のモデル・パラメータは、更に、多数の周波数帯域において発声状態を示す１つ以上の発声パラメータを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、前記ピッチを表す前記第１パラメータは、基本周波数であることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、前記周波数帯域の各々において、前記発声状態を有声、無声またはパルス状として示すことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の方法において、前記ビット・ストリームを生成するステップは、誤り訂正コーディングを前記量子化ビットに適用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２１記載の方法において、前記生成したビット・ストリームは、APCO Project 25に用いる標準的なボコーダと相互使用可能であることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２４記載の方法において、前記生成したビット・ストリームは、APCO Project 25に用いる標準的なボコーダと相互使用可能であることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２１記載の方法において、前記フレームの発声状態を判定するステップは、前記フレームが発声活動ではなく背景ノイズに対応する場合、全ての周波数帯域において前記発声状態を無声に設定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
ビット・シーケンスからディジタル音声サンプルをデコードする方法であって、
前記ビット・シーケンスを個々のフレームに分割するステップであって、各フレームが多数のビットを含む、ステップと、
１フレーム分のビットから量子化値を形成するステップであって、該形成した量子化値が、ピッチを表す第１量子化値と、発声状態を表す第２量子化値とを少なくとも含む、ステップと、
前記第１および第２量子化値が１組の保存してある量子化値に属するか否か判定を行うステップと、
前記量子化値から、フレームの音声モデル・パラメータを再現するステップであって、前記第１および第２量子化値が、前記１組の保存してある量子化値に属すると判定された場合、前記音声モデル・パラメータが、ピッチを表す前記第１量子化値から再現される前記フレームの発声状態を表す、ステップと、
前記再現した音声モデル・パラメータから１組のディジタル音声サンプルを計算するステップと、
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法において、フレームに対して再現した前記音声モデル・パラメータは、ピッチ・パラメータと、前記フレームのスペクトル強度情報を表す１つ以上のスペクトル・パラメータも含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２９記載の方法において、フレームを周波数帯域群に分割し、フレームの発声状態を表す前記再現した音声モデル・パラメータが、前記周波数帯域の各々における発声状態を示すことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法において、各周波数帯域における前記発声状態を、有声、無声またはパルス状として示すことを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３０記載の方法において、前記周波数帯域の１つ以上の帯域幅を前記ピッチ周波数に関係付けることを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項３１記載の方法において、前記周波数帯域の１つ以上の帯域幅を前記ピッチ周波数に関係付けることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２８記載の方法において、前記第１量子化値が既知の値に等しい場合にのみ、前記第１および第３量子化値が前記１組の保存してある量子化値に属すると判定することを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、前記既知の値は、全ての周波数帯域を無声として示す値であることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４記載の方法において、前記第１量子化値が数個の許容値の１つに等しい場合にのみ、前記第１および第２量子化値が前記１組の保存してある量子化値に属すると判定することを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３０記載の方法において、前記第１および第２量子化値が前記１組の保存してある量子化値に属すると判定した場合、各周波数帯域における発声状態を有声として示さないことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項２８記載の方法において、１フレーム分のビットから前記量子化値を形成するステップは、前記１フレーム分のビットに対して誤りデコード処理を行うステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３０記載の方法において、前記ビット・シーケンスは、APCO Project 25のボコーダ規格と相互使用可能な音声エンコーダによって生成することを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３８記載の方法において、前記ビット・シーケンスは、APCO Project 25のボコーダ規格と相互使用可能な音声エンコーダによって生成することを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項２９記載の方法であって、更に、フレームに対して再現した音声モデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定した場合、前記再現したスペクトル・パラメータを変更するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項４１記載の方法において、前記再現したスペクトル・パラメータを変更するステップは、特定の望ましくない周波数成分を減衰させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項４１記載の方法において、前記第１量子化値および前記第２量子化値が特定の既知のトーン量子化値に等しい場合にのみ、フレームに対して再現したモデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定することを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４１記載の方法において、フレームの前記スペクトル強度情報が少数の優勢周波数成分を示す場合にのみ、フレームに対して再現した前記モデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定することを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４３記載の方法において、フレームの前記スペクトル強度情報が少数の優勢周波数成分を示す場合にのみ、フレームに対して再現した前記モデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定することを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項４４記載の方法において、前記トーン信号は、ＤＴＦＭトーン信号を含み、フレームの前記スペクトル強度情報が、既知のＤＴＦＭ周波数またはその付近にある２つの優勢な周波数成分を示す場合にのみ、前記ＤＴＦＭトーン信号を判定することを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項３２記載の方法において、前記フレームのスペクトル強度情報を表す前記スペクトル・パラメータは、前記再現したピッチ・パラメータから決定した基本周波数の高調波を表す１組のスペクトル強度パラメータから成ることを特徴とする方法。
【請求項４８】
ビット・シーケンスからディジタル音声サンプルをデコードする方法であって、
前記ビット・シーケンスを、各々多数のビットを含む個々のフレームに分割するステップと、
１フレーム分のビットから音声モデル・パラメータを再現するステップであって、１フレーム分の再現した音声モデル・パラメータが、当該フレームについてのスペクトル強度情報を表す１つ以上のスペクトル・パラメータを含む、ステップと、
前記再現した音声モデル・パラメータから、前記フレームがトーン信号を表すか否か判定を行うステップと、
前記フレームがトーン信号を表す場合、前記スペクトル・パラメータを変更し、該変更したスペクトル・パラメータが、前記判定したトーン信号のスペクトル強度情報を一層良く表すようにするステップと、
前記再現した音声モデル・パラメータおよび前記変更したスペクトル・パラメータからディジタル音声サンプルを発生するステップと、
から成ることを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項４８記載の方法において、フレームに対して再現した前記音声モデル・パラメータは、ピッチを表す基本周波数パラメータも含むことを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４９記載の方法において、フレームに対して再現した前記音声モデル・パラメータは、多数の周波数帯域における発声状態を示す発声パラメータも含むことを特徴とする方法。
【請求項５１】
請求項５０記載の方法において、前記周波数帯域の各々における前記発声状態は、有声、無声またはパルス状として示すことを特徴とする方法。
【請求項５２】
請求項４９記載の方法において、前記フレームのスペクトル・パラメータは、前記基本周波数パラメータの高調波における前記スペクトル強度情報を表す１組のスペクトル強度から成ることを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５０記載の方法において、前記フレームのスペクトル・パラメータは、前記基本周波数パラメータの高調波における前記スペクトル強度情報を表す１組のスペクトル強度から成ることを特徴とする方法。
【請求項５４】
請求項５２記載の方法において、前記再現したスペクトル・パラメータを変更するステップは、前記判定したトーン信号に含まれない高調波に対応する前記スペクトル強度を減衰させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５２記載の方法において、前記１組のスペクトル強度における数個のスペクトル強度が前記１組における他の全スペクトル強度に対して優勢である場合にのみ、フレームに対して再現した前記音声モデル・パラメータはトーン信号に対応すると判定することを特徴とする方法。
【請求項５６】
請求項５５記載の方法において、前記トーン信号は、ＤＴＦＭトーン信号を含み、フレームの前記スペクトル強度情報が、既知のＤＴＦＭ周波数またはその付近にある２つの優勢な周波数成分を示す場合にのみ、前記ＤＴＦＭトーン信号を判定することを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５０記載の方法において、前記基本周波数パラメータおよび前記発声パラメータが前記パラメータに対する一定の既知の値にほぼ等しい場合にのみ、フレームに対して再現した前記音声モデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定することを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５５記載の方法において、前記ビット・シーケンスは、APCO Project 25のボコーダ規格と相互使用可能な音声エンコーダによって生成することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、音声およびその他のオーディオ信号のエンコードおよび／またはデコード処理に関する。  
【背景技術】
【０００２】
音声のエンコードおよびデコード処理には多数の用途があり、広範囲にわたって研究されてきる。一般に、音声のコード化は、音声圧縮としても知られており、音声の品質即ち了解度を実質的に低下させることなく、音声信号を表すために必要なデータ・レートを低下させようとすることである。音声圧縮技法は、音声コーダによって実現することができ、音声コーダのことをボイス・コーダまたはボコーダと呼ぶこともある。
【０００３】
音声コーダは、一般に、エンコーダおよびデコーダを含むと見なされる。エンコーダは、マイクロフォンが生成するアナログ信号を入力として有するアナログ／ディジタル変換器の出力に生成ような、音声のディジタル表現から圧縮ビット・ストリームを生成する。デコーダは、圧縮ビット・ストリームを、ディジタル／アナログ変換器およびスピーカによる再生に適した、音声のディジタル表現に変換する。多くの用途では、エンコーダおよびデコーダは、物理的に分離されており、ビット・ストリームをこれらの間で送信するには、通信チャネルを用いる。
【０００４】
音声コーダの主要なパラメータの１つに、コーダが達成する圧縮量があり、これは、エンコーダが生成するビット・ストリームのビット・レートによって測定する。エンコーダのビット・レートは、一般に、所望の忠実度（即ち、音声の品質）、および用いられる音声コーダの形式の関数である。音声オーダは、形式が異なれば、異なるビット・レートで動作するように設計されている。最近では、広範囲の移動通信用途のために、１０ｋｂｐｓ未満で動作する低から中程度のレートの音声コーダに関心が集まっている（例えば、セルラ電話、衛星電話、陸線移動無線通信、および機内電話）。これらの用途では、高品質の音声、ならびに音響ノイズおよびチャネル・ノイズ（例えば、ビット・エラー）によって生ずるアーチファクトに対するロバスト性が要求されるのが通例である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
音声は、一般に、時間の経過と共に変化する信号特性を有する非定常信号と見なされる。この信号特性の変化は、一般に、異なる音を生成する人の声道の特性において作られる変化と関連付けられる。音は、通例、ある短い期間、通例は１０から１００ｍｓの間維持され、次いで声道が再度変化して、次の音を生成する。音同士の間の遷移は、遅く連続的であったり、あるいは遷移は音声「開始」(onset)の場合のように素早いこともある。この信号特性の変化のために、ビット・レートが低くなるに連れて、音声をエンコードすることが増々難しくなる。何故なら、音によっては、他の音よりも本来的にエンコードが難しいものがあり、音声コーダは、音声信号の特性遷移に追従(adapt)する能力を保存しつつ、妥当な忠実度で全ての音をエンコードできなければならないからである。低から中程度のビット・レートの音声コーダの性能を向上する１つの方法は、ビット・レートを可変とすることである。可変ビット・レート音声コーダでは、音声の各セグメントに対するビット・レートは固定されておらず、逆に、ユーザの入力、システムの負荷、端末の設計または信号特性というような種々の要因に応じて、２つ以上の選択肢の間で変化させることができる。
【０００６】
低から中程度のデータ・レートにおいて音声をコード化する主な手法には何種類かある。例えば、線形予測コーディング（ＬＰＣ：linear predictive coding）に基づく手法では、短期および長期予測器を用いて、以前のサンプルから新しい音声の各フレームを予測しようとする。予測エラーは、いくつかの手法の１つを用いて量子化するのが通例であり、その中から、ＣＥＬＰおよび／またはマルチ・パルスの２例をあげておく。ＬＰＣ法の利点は、時間分解能が高いことであり、無声音(unvoiced sound)のコーディングに役立つ。即ち、この方法には、破裂音および過渡音(transient)が結局は (in time)過度に不明瞭になることはないという効果がある。しかしながら、線形予測には、コード化した信号における周期性が不十分なことから、コード化した音声が粗雑にまたはしゃがれ声に聞こえる場合が多く、有声音には難点がある。この問題は、データ・レートが低くなる程、一層深刻となる。これは、データ・レートが低い程長いフレーム・サイズが必要となるのが通例であることから、長期予測器は周期性再現の有効性が低下するためである。
【０００７】
低から中程度のレートの音声コーディングの別の先端的手法に、モデルに基づく音声コーダ即ちボコーダがある。ボコーダは、音声を、短い時間期間における励起に対するシステムの応答としてモデル化する。ボコーダ・システムの例には、線形予測ボコーダ（例えば、ＭＥＬＰ）、同形ボコーダ(homomorphic vocoder)、チャネル・ボコーダ、正弦変換コーダ（「ＳＴＣ」）、高調波ボコーダ(harmonic vocoder)、およびマルチバンド励起（「ＭＢＥ」）ボコーダが含まれる。これらのボコーダでは、音声は短いセグメント（通例、１０から４０ｍｓ）に分割され、各セグメントを１組のモデル・パラメータによって特徴化する。これらのパラメータは、通例、各音声セグメントの数個の基本的なエレメント、当該セグメントのピッチ、発声状態、およびスペクトル包絡線等を表す。これらのパラメータ毎に、多数の公知の表現の１つを用いるボコーダも可能である。例えば、ピッチは、ピッチ周期、基本的周波数またはピッチ周波数（ピッチ周期の逆数）として、または長期予測遅延として表すことができる。同様に、発声状態は、１つ以上の発声計量、発声確率測定、または１組の発声判断(voicing decision)によって表すことができる。スペクトル包絡線は、全極フィルタ応答によって表されることが多いが、１組のスペクトル強度またはその他のスペクトル測定値によって表すこともできる。モデルに基づく音声コーダは、少数のパラメータのみを用いて、音声セグメントを表現することができるので、ボコーダのようなモデルに基づく音声コーダは、通例では、中程度から低データ・レートで動作することができる。しかしながら、モデルに基づくシステムの品質は、基礎となるモデルの精度に左右される。したがって、これらの音声コーダが高い音声品質を達成しなければならないとすると、忠実度が高いモデルを用いる必要がある。
【０００８】
ＭＢＥボコーダは、ＭＢＥ音声モデルに基づく高調波ボコーダであり、多くの用途において優れた動作を行うことが示されている。ＭＢＥボコーダは、有声音声の高調波表現を、ＭＢＥ音声モデルに基づく柔軟な周波数依存発声構造と組み合わせる。これによって、ＭＢＥボコーダは、自然な発音の無声音声(natural sounding unvoiced speed)を生成することができ、音響背景ノイズの存在に対するＭＢＥボコーダのロバスト性が高められる。これらの特性により、ＭＢＥボコーダは、低から中程度のデータ・レートにおいて生成される音声の品質を高めることができ、多数の工業的移動通信用途においてＭＢＥボコーダが利用されるようになった。
【０００９】
ＭＢＥ音声モデルは、ピッチに対応する基本周波数、１組の発声計量または判断、および声道の周波数応答に対応する１組のスペクトル強度を用いて、音声のセグメントを表す。ＭＢＥモデルは、従来のセグメント毎に１つのＶ／ＵＶ判断を、１組の判断に一般化し、各判断は、特定の周波数帯域即ち領域における発声状態を表す。これによって、各フレームを、少なくとも有声および無声周波数領域に分割する。こうして、発声モデルにおいて柔軟性を高めることにより、ＭＢＥモデルは、一部の有声摩擦音のような、混合発声音に対する適応性を高め、音響背景ノイズによって潰された音声の表現精度を高めることができ、いずれの判断においてもエラーに対する感応性を低下させる。この一般化の結果、ボイス品質および了解度が向上したことが、広範な試験によって示されている。
【００１０】
ＭＢＥに基づくボコーダには、ＩＭＢＥ（商標）音声コーダや、ＡＭＢＥ（登録商標）音声コーダが含まれる。ＩＭＢＥ（商標）音声コーダは、APCO Project 25を含む多数のワイヤレス通信システムにおいて用いられている。ＡＭＢＥ（登録商標）音声コーダは、これに含まれる励起パラメータ（基本周波数および発声判断）を推定する方法のロバスト性を高め、実際の音声において発見した変動やノイズをより良く追跡することができるように改良されたシステムである。通例では、ＡＭＢＥ（登録商標）音声コーダは、フィルタバンクを用いるが、多くの場合これには１６のチャネルおよび非線形性を含み、１組のチャネル出力を生成し、これらから励起パラメータを容易に推定することができる。チャネル出力を組み合わせて処理し、基本周波数を推定する。その後、数個（例えば、８つ）発声帯域の各々において、チャネルを処理して、各発声帯域毎に発声判断（またはその他の発声計量）を推定する。ＡＭＢＥ＋２（商標）ボコーダでは、三状態発声モデル（有声、無声、パルス状）を適用し、破裂音およびその他の過渡音声音を一層良く表している。ＭＢＥモデル・パラメータを量子化する種々の方法が、多様なシステムにおいて適用されている。通例では、ＡＭＢＥ（登録商標）ボコーダおよびＡＭＢＥ＋２（商標）ボコーダが採用する量子化方法は、ベクトル量子化のように、一層進んでおり、ビット・レートが低い程高い品質の音声を生成する。
【００１１】
ＭＢＥに基づく音声コーダのエンコーダは、各音声セグメント毎に１組のモデル・パラメータを推定する。ＭＢＥモデル・パラメータは、基本周波数（ピッチ周期の逆数）、発声状態を特徴化する１組のＶ／ＵＶ計量または判断、およびスペクトル包絡線を特徴化する１組のスペクトル強度を含む。ＭＢＥモデル・パラメータをセグメント毎に推定した後、エンコーダは、パラメータを量子化して１フレーム分のビットを生成する。任意に、エンコーダは、誤り訂正／検出コードでこれらのビットを保護した後に、インターリーブし、その結果得られたビット・ストリームを対応するデコーダに送信する。
【００１２】
ＭＢＥに基づくボコーダにおけるデコーダは、受信したビット・ストリームから、ＭＢＥモデル・パラメータ（基本周波数、発声情報、およびスペクトル強度）を音声のセグメント毎に再現する。この再現の一部として、デコーダは、デインターリーブ処理および誤り制御デコード処理を行い、ビット・エラーを訂正および／または検出する。加えて、位相再生(phase regeneration)もデコーダによって行われ、合成位相情報を計算するのが通例である。APCO Project 25 ボコーダの説明書に指定され、米国特許第５，０８１，６８１号および第５，６６４，０５１号に記載されている１つの方法では、発声判断に応じて、ランダム位相再生を、ランダム性の量と共に用いている。別の方法では、位相再生を行う際に、再現したスペクトル強度にスムージング・カーネルを適用する。これは、米国特許第５，７０１，３９０号に記載されている。
【００１３】
デコーダは、再現したＭＢＥモデル・パラメータを用いて、元の音声に知覚的に高度に類似した音声信号を合成する。有声、無声、そして任意にパルス状音声に対応する信号成分は、通常別個であり、各セグメント毎に合成され、次いで得られた成分を合計して、合成音声信号を形成する。このプロセスを音声のセグメント毎に繰り返し、完全な音声信号を再生し、Ｄ／Ａ変換器およびラウドスピーカを介して出力する。無声信号成分を合成するには、ウィンドウ重複加算法(windowed overlap-add method)を用いて、白色ノイズ信号を濾過する。フィルタの時間変動スペクトル包絡線は、無声と指定された周波数領域において再生された一連のスペクトル強度から決定され、他の周波数領域は０に設定される。
【００１４】
デコーダは、数種類の方法の内１つを用いて、有声信号成分を合成することができる。APCO Project 25 ボコーダの説明書において指定されている１つの方法では、１群の高周波発振器を用い、基本周波数の各高調波毎に１つずつ発振器を割り当て、発振器全てからの寄与を加算して、有声信号成分を形成する。別の方法では、有声信号成分を合成するには、有声インパルス応答とインパルス・シーケンスとの畳み込みを行い、隣接するセグメントからの寄与をウィンドウ重複加算によって組み合わせる。この２番目の方法の方が速く計算することができる。何故なら、これはセグメント間における成分の照合を全く必要とせず、任意のパルス信号成分にも適用できるからである。
【００１５】
ＭＢＥに基づくボコーダの特定的な一例に、APCO Project 25 移動無線通信システムの標準として選択された７２００ｂｐｓのＩＭＢＥ（商標）ボコーダがある。このボコーダは、APCO Project 25 ボコーダの説明書に記載されており、１４４ビットを用いて各２０ｍｓフレームを表す。これらのビットは、５６ビットの冗長ＦＥＣビット（ゴレイおよびハミング・コーディングの組み合わせを適用する）、１ビットの同期ビット、および８７ビットのＭＢＥパラメータ・ビットに分割される。８７ビットのＭＢＥパラメータ・ビットは、基本周波数を量子化するための８ビットと、二進有声／無声判断を量子化する３−１２ビットと、スペクトル強度を量子化する６７−７６ビットから成る。その結果生ずる１４４ビット・フレームは、エンコーダからデコーダに伝送される。デコーダは、誤り訂正を実行した後に、誤りデコード・ビットからＭＢＥモデル・パラメータを再現する。次いで、デコーダは、再現したモデル・パラメータを用いて、有声および無声信号成分を合成し、これらを合計して、デコード音声信号を形成する。
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５，０８１，６８１号
【特許文献２】米国特許第５，６６４，０５１号
【特許文献３】米国特許第５，７０１，３９０号
【非特許文献１】APCO Project 25 ボコーダの説明書
【課題を解決するための手段】
【００１７】
概括的な形態の１つでは、ディジタル音声サンプル・シーケンスをビット・ストリームにエンコードする際、ディジタル音声サンプルを１つ以上のフレームに分割し、多数のフレームについてモデル・パラメータを計算することを含む。モデル・パラメータは、ピッチ情報を搬送する第１パラメータを少なくとも含む。フレームの発声状態を判定し、判定したフレームの発声状態が、１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、判定したフレームの発声状態を示すように、このフレームに対するピッチ情報を搬送するパラメータを変更する。次いで、モデル・パラメータを量子化して量子化ビットを発生し、これらを用いてビット・ストリームを生成する。
【００１８】
実現例では、次の特徴を１つ以上含むことができる。例えば、モデル・パラメータは、更に、スペクトル強度情報を判定する１つ以上のスペクトル・パラメータを含むこともできる。
【００１９】
フレームの発声状態を多数の周波数帯域について判定することもでき、モデル・パラメータは、周波数帯域において判定した発声状態を示す１つ以上のパラメータを含むこともできる。発声パラメータは、各周波数帯域における発声状態を、有声、無声またはパルス状として示すことができる。１組の保存してある発声状態は、有声として示される周波数帯域がない発声状態に対応することができる。判定したフレームの発声状態が、１組の保存してある発声状態の１つに等しい場合、全ての周波数帯域を無声として示すように、発声パラメータを設定することができる。また、発声状態は、フレームが発声活動ではなく、背景ノイズに対応する場合、全ての周波数帯域を無声として示すように設定することもできる。
【００２０】
ビット・ストリームの生成では、量子化ビットに誤り訂正コーディングを適用することを含ませてもよい。生成したビット・ストリームは、APCO Project 25に用いられる標準的なボコーダと相互使用可能とするとよい。
【００２１】
１フレーム分のディジタル音声サンプルを分析してトーン信号を検出することができ、トーン信号が検出された場合、フレームの１組のモデル・パラメータは、検出されたトーン信号を表すように選択することができる。この検出したトーン信号は、ＤＴＭＦトーン信号を含むことがある。検出したトーン信号を表すように１組のモデル・パラメータを選択する場合、検出したトーン信号の振幅を表すようにスペクトル・パラメータを選択すること、および／または検出したトーン信号の周波数に少なくとも部分的に基づいて、ピッチ情報を搬送する第１パラメータを選択することを含むようにするとよい。
【００２２】
フレームのスペクトル強度情報を決定するスペクトル・パラメータは、ピッチ情報を搬送する第１パラメータから決定した基本周波数の高調波から計算した１組のスペクトル強度パラメータを含む。
【００２３】
別の概括的な態様では、ディジタル音声サンプル・シーケンスをビット・ストリームにエンコードする際、ディジタル音声サンプルを１つ以上のフレームに分割し、フレームのディジタル音声サンプルがトーン信号に対応するか否か判定することを含む。多数のフレームについて、モデル・パラメータを計算し、モデル・パラメータは、ピッチを表す第１パラメータと、ピッチの高調波倍数におけるスペクトル強度を表すスペクトル・パラメータとを少なくとも含む。フレームのディジタル音声サンプルがトーン信号に対応すると判定した場合、検出したトーン信号を近似するように、スペクトル・パラメータを選択する。モデル・パラメータを量子化して量子化ビットを発生し、これらを用いてビット・ストリームを生成する。
【００２４】
実現例では、以下の特徴の１つ以上、および先に記した特徴の１つ以上を含むことができる。例えば、１組のモデル・パラメータは、更に、多数の周波数帯域において発声状態を示す１つ以上の発声パラメータを含むこともできる。ピッチを表す第１パラメータは基本周波数とすることができる。
【００２５】
別の概括的な態様では、ビット・シーケンスからディジタル音声サンプルをデコードする際、ビット・シーケンスを、各々多数のビットを含む、個々のフレームに分割することを含む。１フレーム分のビットから量子化値を形成する。形成した量子化値は、ピッチを表す第１量子化値と、発声状態を表す第２量子化値とを少なくとも含む。第１および第２量子化値が１組の保存してある量子化値に属するか否かについて判定を行う。その後、量子化値から、フレームの音声モデル・パラメータを再現する。第１および第２量子化値が１組の保存してある量子化値に属すると判定された場合、音声モデル・パラメータは、ピッチを表す第１量子化値から再現されたフレームの音声状態を表す。最後に、再現した音声モデル・パラメータから、ディジタル音声サンプルを計算する。
【００２６】
実現例では、以下の特徴の１つ以上、および先に記した特徴の１つ以上を含むことができる。例えば、フレームに対して再現した音声モデル・パラメータは、ピッチ・パラメータと、フレームについてのスペクトル強度情報を表す１つ以上のスペクトル・パラメータとを含むことができる。フレームを周波数帯域群に分割することができ、フレームの発声状態を表す、再現した音声モデル・パラメータは、周波数帯域の各々における発声状態を示すことができる。各周波数帯域における発声状態は、有声、無声またはパルス状のいずれかとして示すことができる。１つ以上の周波数帯域の帯域幅を、ピッチ周波数と関係付けることもできる。
【００２７】
第２量子化値が既知の値と等しい場合にのみ、第１および第２量子化値が１組の保存してある量子化値に属すると判定することができる。既知の値は、周波数帯域の全てを無声として示す値とすることができる。第１量子化値が数個の許容値の１つに等しい場合にのみ、第１および第２量子化値が１組の保存してある量子化値に属すると判定することができる。第１および第２量子化値が１組の保存してある量子化値に属すると判定された場合、各周波数帯域における発声状態は、有声として示さないようにすることができる。
【００２８】
１フレーム分のビットから量子化値を形成する際、この１フレーム分のビットに対して誤りデコード処理を実行することを含んでもよい。ビット・シーケンスは、APCO Project 25のボコーダ規格と相互使用可能な音声エンコーダによって生成することができる。
【００２９】
フレームに対して再現した音声モデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定された場合、再現したスペクトル・パラメータを変更することができる。再現したスペクトル・パラメータを変更する場合、特定の望ましくない周波数成分を減衰させることを含んでもよい。第１量子化値および第２量子化値が特定の既知のトーン量子化値に等しい場合、またはフレームのスペクトル強度情報が少数の有声周波数成分を示す場合にのみ、フレームに対して再現したモデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定することができる。トーン信号は、ＤＴＭＦトーン信号を含むことができ、フレームのスペクトル強度情報が、既知のＤＴＭＦ周波数またはその付近にある２つの優勢な周波数成分を示す場合にのみ、このＤＴＭＦトーン信号を判定する。
【００３０】
フレームのスペクトル強度情報を表すスペクトル・パラメータは、再現したピッチ・パラメータから決定した基本周波数の高調波を表す、１組のスペクトル強度パラメータで構成することができる。
【００３１】
別の概括的な形態では、ビット・シーケンスからディジタル音声サンプルをデコードする際、ビット・シーケンスを、各々多数のビットを含む、個々のフレームに分割することを含む。１フレーム分のビットから音声モデル・パラメータを再現する。フレームに対して再現した音声モデル・パラメータは、当該フレームのスペクトル強度情報を表す１つ以上のスペクトル・パラメータを含む。再現した音声モデル・パラメータを用いて、フレームがトーン信号を表すか否か判定し、フレームがトーン信号を表す場合、スペクトル・パラメータを変更し、変更したスペクトル・パラメータが、判定したトーン信号のスペクトル強度情報を一層良く表すようにする。再現した音声モデル・パラメータおよび変更したスペクトル・パラメータから、ディジタル音声サンプルを発生する。
【００３２】
実現例では、以下の特徴の１つ以上、および先に記した特徴の１つ以上を含むことができる。例えば、フレームに対して再現した音声モデル・パラメータは、ピッチを表す基本周波数パラメータと、多数の周波数帯域における発声状態を示す発声パラメータも含む。周波数帯域の各々における発声状態は、有声、無声またはパルス状のいずれかとして示すことができる。
【００３３】
フレームのスペクトル・パラメータは、基本周波数パラメータの高調波におけるスペクトル強度情報を表す１組のスペクトル強度を含むことができる。再現したスペクトル・パラメータを変更するには、判定したトーン信号に含まれない高調波に対応するスペクトル強度を減衰させることを含めばよい。
【００３４】
１組のスペクトル強度における数個のスペクトル強度が、１組における他の全スペクトル強度に対して優勢である場合、または基本周波数パラメータおよび発声パラメータが、当該パラメータに対する一定の既知の値にほぼ等しい場合にのみ、フレームに対して再現した音声モデル・パラメータがトーン信号に対応すると判定することができる。トーン信号は、ＤＴＭＦトーン信号を含むことができ、１組のスペクトル強度が、標準的なＤＴＭＦ周波数またはその付近にある２つの優勢な周波数成分を含む場合にのみ、このＤＴＭＦトーン信号を判定する。
【００３５】
ビット・シーケンスは、APCO Project 25のボコーダ規格と相互使用可能な音声エンコーダによって生成することができる。
別の概括的な形態では、改良マルチバンド励起（ＭＢＥ）ボコーダは、標準的な APCO Project 25ボコーダと相互使用可能であるが、ボイス品質の向上、トーン信号に対する忠実度の向上、および背景ノイズに対するロバスト性の向上をもたらす。改良ＭＢＥエンコーダ・ユニットは、ＭＢＥパラメータ推定、ＭＢＥパラメータ量子化、およびＦＥＣエンコード処理というようなエレメントを含むことができる。ＭＢＥパラメータ推定エレメントは、発声活動検出、ノイズ抑制、トーン検出、および三状態発声モデルというような、先進の機構を含む。ＭＢＥパラメータ量子化は、基本周波数データ・フィールドに、発声情報を挿入することができる。改良ＭＢＥデコーダは、ＦＥＣデコード処理、ＭＢＥパラメータ再現、およびＭＢＥ音声合成というようなエレメントを含むことができる。ＭＢＥパラメータ再現は、基本周波数データ・フィールドから発声情報を取り出せることを特徴とする。ＭＢＥ音声合成は、有声、無声、およびパルス状信号成分の組み合わせとして、音声を合成することができる。
【００３６】
その他の特徴は、図面および特許請求の範囲を含む、以下の説明から明白であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、マイクロフォン１０５からのアナログ音声または何らかのその他の信号をサンプリングする音声コーダ即ちボコーダ１００を示す。Ａ／Ｄ変換器１１０がマイクロフォンからのアナログ音声をディジタル化し、ディジタル音声信号を生成する。ディジタル音声信号は、改良ＭＢＥ音声エンコーダ・ユニット１１５によって処理され、送信または格納に適したディジタル・ビット・ストリーム１２０を生成する。
【００３８】
通例では、音声エンコーダは、ディジタル音声信号を短いフレーム単位で処理し、フレームを１つ以上のサブフレームに更に分割することもできる。ディジタル音声サンプルの各フレームは、エンコーダのビット・ストリーム出力において、対応するビットのフレームを生成する。尚、フレームには１つのサブフレームしかない場合、フレームおよびサブフレームは通例では同等であり、同じ信号の区分を指すことを注記しておく。一実現例では、フレーム・サイズの期間は２０ｍｓであり、８ｋＨｚのサンプリング・レートにおいて１６０個のサンプルから成る。用途によっては、各サンプルを２つの１０ｍｓサブフレームに分割することによって、性能が向上する場合もある。
【００３９】
また、図１は、受信ビット・ストリーム１２５も示す。ビット・ストリーム１２５は、改良ＭＢＥ音声デコーダ・ユニット１３０に入力され、ＭＢＥ音声デコーダ・ユニット１３０は、各ビット・フレームを処理して、対応する合成音声サンプルのフレームを生成する。Ｄ／Ａ変換ユニット１３５が、次に、ディジタル音声サンプルをアナログ信号に変換し、これをスピーカ・ユニット１４０に受け渡し、人の聴取に適した音響信号に変換することができる。エンコーダ１１５およびデコーダ１３０は、異なる場所にあってもよく、送信ビット・ストリーム１２０および受信ビット・ストリームが同一であってもよい。
【００４０】
ボコーダ１００は、改良型のＭＢＥに基づくボコーダであり、APCO Project 25通信システムにおいて用いられる標準的なボコーダと相互使用可能である。一実現例では、改良７２００ｂｐｓボコーダが標準的なAPCO Project 25ボコーダ・ビット・ストリームを用いて相互使用可能となっている。この改良７２００ｂｐｓボコーダでは、ボイス品質の向上、耐音響背景ノイズ性向上、最上位のトーン処理を含む、性能向上が得られる。ビット・ストリームの相互使用可能性(interoperability)を保存して、改良エンコーダが生成する７２００ｂｐｓビット・ストリームを、標準的なAPCO Project 25ボイス・デコーダがデコードし、高品質の音声を生成できるようにする。同様に、改良エンコーダは、標準的なエンコーダが発生する７２００ｂｐｓビット・ストリームを入力し、これから高品質の音声をデコードする。ビット・ストリームの相互使用可能性を備えることにより、改良エンコーダを組み込んだ無線機またはその他のデバイスを、既存のAPCO Project 25システムに継ぎ目無く組み込むことができ、システムのインフラストラクチャによる変換やトランスコード処理(transcoding)も不要である。標準的なボコーダとの下位互換性を備えることによって、改良ボコーダを用いると、相互使用可能性の問題を引き起こすことなく、既存のシステムの性能を高度化する(upgrade)ことが可能となる。
【００４１】
図２を参照すると、改良ＭＢＥエンコーダ１１５は、音声エンコーダ・ユニット２００を用いて実現することができる。音声エンコーダ・ユニット２００は、まずパラメータ推定ユニット２０５によって入力ディジタル音声信号を処理して、フレーム毎に、一般化したＭＢＥモデル・パラメータを推定する。次いで、１つのフレームについて推定したモデル・パラメータを、ＭＢＥパラメータ量子化ユニット２１０によって量子化し、パラメータ・ビットを生成し、ＦＥＣエンコード・パリティ付加ユニット２１５に供給し、量子化ビットと冗長順方向誤り訂正（ＦＥＣ）データと組み合わせて、送信ビット・ストリームを形成する。冗長ＦＥＣデータを付加することによって、デコーダは、伝送チャネルにおける劣化によって生ずるビット・エラーを訂正および／または検出することが可能となる。
【００４２】
また、図２に示すように、改良ＭＢＥデコーダ１３０は、ＭＢＥ音声デコーダ・ユニット２２０を用いて実現することができる。ＭＢＥ音声デコーダ・ユニット２２０は、まずＦＥＣデコーダ・ユニット２２５を用いて受信ビット・ストリームにおけるフレームを処理して、ビット・エラーを訂正および／または検出する。フレームのパラメータ・ビットは、次に、ＭＢＥパラメータ再現ユニット２３０によって処理され、フレーム毎に一般化されたＭＢＥモデル・パラメータを再現する。次に、ＭＢＥ音声合成ユニット２３５が、得られたモデル・パラメータを用いて、合成ディジタル音声信号を生成する。これがデコーダの出力となる。
【００４３】
APCO Project 25 ボコーダ規格では、１４４ビットを用いて、各２０ｍｓフレームを表す。これらのビットは、５６ビットの冗長ＦＥＣビット（ゴレイおよびハミング・コーディングの組み合わせを適用する）、１ビットの同期ビット、および８７ビットのＭＢＥパラメータ・ビットに分割される。標準的なAPCO Project 25ボコーダのビット・ストリームと相互使用可能とするには、改良ボコーダは、各フレーム内において、同じフレーム・サイズおよび同じ全体的なビット割り当てを用いる。しかしながら、改良ボコーダは、標準的なボコーダに対して、これらのビットにある種の修正を用いて、搬送する情報を増大し、ボコーダの性能を向上させつつ、標準的なボコーダとの下位互換性を維持している。
【００４４】
図３は、改良ＭＢＥボイス・エンコーダが実施する改良ＭＢＥパラメータ推定手順３００を示す。手順３００を実施するには、ボイス・エンコーダは、トーン判断（ステップ３０５）を実行して、フレーム毎に、入力信号が数個の既知のトーン形式（単一トーン、ＤＴＦＭトーン、ノックス・トーン(Knox tone)、または呼進展トーン(call progress tone)）の１つに対応するか否か判定を行う。
【００４５】
また、ボイス・エンコーダは、発声活動検出（ＶＡＤ：voice activity detection）も実行して（ステップ３１０）、フレーム毎に、入力信号が人の声かまたは背景ノイズか判定を行う。ＶＡＤの出力は、フレームがボイスかまたはボイスでないかを示す、フレーム毎の単一ビットの情報である。
【００４６】
次に、エンコーダは、ＭＢＥ発声判断およびピッチ情報を搬送する基本周波数を推定し（ステップ３１５）、スペクトル強度を推定する（ステップ３２０）。発声判断は、ＶＡＤ判断がフレームを背景ノイズ（ボイスでない）と判定した場合には、全て無声に設定すればよい。
【００４７】
スペクトル強度を推定した後、ノイズ抑制を適用し（ステップ３２５）、スペクトル強度から、知覚されるレベルの背景ノイズを除去する。実現例によっては、ＶＡＤ判断を用いて、背景ノイズの推定値を改善する。
【００４８】
最後に、スペクトル強度が、無声またはパルス状と示された発声帯域にある場合、これらを補償する（ステップ３３０）。標準的なボコーダは、異なるスペクトル強度推定方法を用いるので、これを考慮して補償を行う。
【００４９】
改良ＭＢＥボイス・エンコーダは、トーン検出を実行し、入力信号においてある種別のトーン信号を特定する。図４は、エンコーダが実施するトーン検出手順４００を示す。最初に、ハミング・ウィンドウまたはカイザー・ウィンドウ(Kaiser window)を用いて、入力信号をウィンドウ処理する(window)（ステップ４０５）。次いで、ＦＦＴを計算し（ステップ４１０）、ＦＦＴ出力から全スペクトル・エネルギを計算する（ステップ４１５）。通例、ＦＦＴ出力を評価して、１５０−３８００Ｈｚの範囲にある単一のトーン、ＤＴＦＭトーン、ノックス・トーンおよびある種の呼進展トーンを含む数個のトーン信号の１つと対応するか否か判定を行う。
【００５０】
次に、最良のトーン候補を判定する。この際、一般に、エネルギが最大の１つ以上のＦＦＴビンを発見する（ステップ４２０）。次いで、トーンが１つの場合には、ＦＦＴビンと選択したトーン周波数候補とを加算することによって、二重トーンの場合には、複数の周波数と加算することによって、トーン・エネルギを計算する（ステップ４２５）。
【００５１】
次いで、ＳＮＲ（トーン・エネルギと全トーンとの間の比率）レベル、周波数、または捻れ(twist)のような、所要のトーン・パラメータをチェックすることによって、トーン候補の妥当性を判断する（ステップ４３０）。例えば、電気通信に用いられる標準化された二重周波数トーンであるＤＴＭＦトーンの場合、２つの周波数成分の各々の周波数は、有効なＤＴＭＦトーンに対する公称値の約３％以内でなければならず、ＳＮＲは通例では１５ｄＢを超過しなければならない。このような検査によって有効なトーンが確認されたなら、表１に示すような１組のＭＢＥモデル・パラメータを用いて、推定したトーン・パラメータを高調波群にマッピングする（ステップ４３５）。例えば、６９７Ｈｚ、１３３６ＨｚのＤＴＭＦトーンを、基本周波数が７０Ｈｚ（ｆ０＝０．００８７５）、２つの非ゼロ高調波（１０、１９）を有し、それ以外の全ての高調波が０に設定された高調波群にマッピングすることができる。次いで、非ゼロ高調波を含む発声帯域が有声となり、それ以外の発声帯域が全て無声となるように、発声判断を設定する。
【００５２】
【表１−１】
2004287397.tif 000003
【００５３】
【表１−２】
2004287397.tif 000004
【００５４】
通例、改良ＭＢＥボコーダは、発声活動検出（ＶＡＤ）を含み、各フレームをボイスまたは背景ノイズのいずれかに識別する。ＶＡＤには種々の方法を適用することができる。しかしながら、図５に示す特定的なＶＡＤ方法５００では、１つ以上の周波数帯域（１６帯域が通例）において１フレーム全体について入力信号のエネルギを測定する（ステップ５０５）ことを含む。
【００５５】
次に、各周波数帯域において、当該帯域における最小エネルギを追跡することによって、背景ノイズ最低値(floor)の推定値を推定し（ステップ５１０）する。次いで、実際に測定したエネルギとこの推定ノイズ最低値との間の誤差を、各周波数帯域に対して計算し（ステップ５１５）、次いで全周波数帯域においてエラーを蓄積する（ステップ５２０）。次いで、蓄積したエラーを閾値と比較し（ステップ５２５）、蓄積エラーが閾値を超過した場合、当該フレームに対してボイスが検出されたことになる。蓄積エラーが閾値を超過しない場合、背景ノイズ（ボイス以外）が検出されたことになる。
【００５６】
図３に示す改良ＭＢＥエンコーダは、入力音声信号のフレーム毎に、１組のＭＢＥモデル・パラメータを推定する。通例では、発声判断および基本周波数（ステップ３１５）を最初に推定する。改良ＭＢＥエンコーダは、先進の三状態発声モデルを用いて、所要の周波通領域を、有声、無声、またはパルス状のいずれかに定義する。この三状態発声モデルは、ボコーダの破裂音およびその他の過渡的音を表す機能を高め、知覚されるボイスの品質を大幅に高める。エンコーダは、１組の発声判断を推定するが、各発声判断はフレーム内の個々の周波数領域の発声状態を示す。また、エンコーダは有声信号成分のピッチを示す基本周波数も推定する。
【００５７】
改良ＭＢＥエンコーダが用いる特徴の１つとして、フレームが全体的に無声またはパルス状（即ち、有声成分を有さない）であるときに、基本周波数はある程度任意であることがあげられる。したがって、フレームに有声の部分がない場合、基本周波数は、他の情報を搬送するために用いることができる。これを図６に示し、以下で説明する。
【００５８】
図６は、基本周波数および発声判断を推定する方法６００を示す。入力音声は、最初に、非線形動作を含むフィルタバンクを用いて分割される（ステップ６０５）。例えば、一実現例では、入力音声を８つのチャネルに分割し、各チャネルは５００Ｈｚの範囲を有する。フィルタバンクの出力を処理して、このフレームの基本周波数を推定し（ステップ６１０）、各フィルタバンク・チャネル毎に発声計量(voicing metric)を計算する（ステップ６１５）。これらのステップの詳細は、米国特許第５，７１５，３６５号および第５，８２６，２２２号において論じられており、その内容は、ここで引用したことによって、本願にも含まれることとする。加えて、三状態発声モデルでは、エンコーダがフィルタバンク・チャネル毎にパルス計量を推定することが必要となる（ステップ６２０）。これは、２００１年１１月２０日に出願した同時係属中の米国特許出願第０９／９８８，８０９号において論じられている。その内容は、ここで引用したことによって、本願にも含まれることとする。次いで、チャネル発声計量およびパルス計量を処理して、１組の発声判断を計算する（ステップ６２５）これらは、各チャネルの発声状態を有声、無声、またはパルス状のいずれかとして表す。一般に、チャネルが有声として示されるのは、発声計量が第１有声閾値よりも小さい場合であり、パルス状として示されるのは、発声計量が、第１有声スレシホルドよりも小さい第２有声閾値よりも小さいときであり、それ以外の場合は無声として示される。
【００５９】
一旦チャネル発声判断を決定したなら、いずれかのチャネルが有声でないか判定するためにチェックを行う（ステップ６３０）。有声のチャネルがない場合、当該フレームの発声状態は、全てのチャネルが無声またはパルス状である１組の保存してある発声状態に属する。この場合、推定基本周波数を、表２からの値と置き換える（ステップ６３５）。この値は、ステップ６２５において決定したチャネル発声判断に基づいて選択する。加えて、有声のチャネルがない場合、標準的なAPCO Project 25ボコーダにおいて用いられる発声帯域の全てを無声に設定する（即ち、ｂ１＝０）。
【００６０】
【表２−１】
2004287397.tif 000005
【００６１】
【表２−２】
2004287397.tif 000006
【００６２】
１フレーム中の発声帯域の数を計算する（ステップ６４０）。発声帯域の数は、基本周波数に応じて３から１２の間で変動する。所与の基本周波数に対する具体的な発声帯域の数は、APCO Project 25 ボコーダの説明書に記載されており、高調波の数を３で除算することによって近似的に得られ、最大１２である。
【００６３】
１つ以上のチャネルが有声である場合、発声状態は、保存してある組には属さず、推定した基本周波数を保持して、標準的に量子化し、チャネル発声判断を、標準的なAPCO Project 25発声帯域にマッピングする（ステップ６４５）。
【００６４】
通例では、固定のフィルタバンク・チャネル周波数から基本周波数に応じた発声帯域周波数までの周波数スケーリング(frequency scaling)を用いて、ステップ６４５に示すマッピングを行う。
【００６５】
図６は、チャネル発声判断のいずれもが有声ではないときにはいつでも、発声判断に関する情報を搬送するための基本周波数の使用を示す（即ち、発声状態が、チャネル発声判断が無声またはパルス状のいずれかに属する１組の保存してある発声状態に属する場合）。尚、標準的なエンコーダでは、発声帯域が全て無声である場合、基本周波数は任意に選択され、発声判断に関する情報を全く搬送しない。逆に、図６のシステムは、有声帯域がない場合にはいつでも、チャネル発声判断に関する情報を搬送する新たな基本周波数を、好ましくは表２から選択する。
【００６６】
選択方法の１つは、ステップ６２５からのチャネル発声判断を、表２における各基本周波数候補に対応するチャネル発声判断と比較することである。チャネル発声判断が最も近いテーブルのエントリを、新たな基本周波数として選択し、基本周波数量子化値ｂ０としてエンコードする。ステップ６２５の最終部分は、発声量子化値ｂ１を０に設定することであり、通常、標準的なデコーダでは全ての発声帯域を無声として示す。尚、改良エンコーダは、発声状態が無声および／またはパルス状帯域の組み合わせであるときはいつでも発声量子化値ｂ１を０に設定し、改良エンコーダが生成したビット・ストリームを標準的なデコーダが受信するときに、確実に全ての発声帯域を無声としてデコードするようにしていることを注記しておく。次に、どの帯域がパルス状であり、どの帯域が無声であるかについての具体的な情報を、前述のように、基本周波数量子化値ｂ０にエンコードする。APCO Project 25 ボコーダの説明書を参照すれば、量子化値ｂ０およびｂ１のエンコードおよびデコード処理を含む、標準的なボコーダ処理に関する情報を更に得ることができる。
【００６７】
尚、チャネル発声判断は、通常、フレーム毎に１回推定され、この場合、表２か基本周波数を選択する際には、推定したチャネル発声判断を、表２の「サブフレーム１」と称する列における発声判断と比較し、最も近いテーブルのエントリを用いて、選択する基本周波数を決定する。この場合、「サブフレーム０」と称する表２の列は用いられない。しかしながら、前述の同じフィルタバンクに基づく方法を用いて、フレーム毎に２回（即ち、フレームにおける２つのサブフレームについて）チャネル発声判断を推定することにより、性能を一層向上させることができる。この場合、フレーム当たり２組のチャネル発声判断があり、表２から基本周波数を選択する際には、双方のサブフレームについて推定したチャネル発声判断を、表２の両方の列に記入されている音声判断と比較する。この場合、両方のサブフレームに対して試験したときに最も近いテーブルのエントリを用いて、選択する基本周波数を決定する。
【００６８】
再度図３を参照する。一旦励起パラメータ（基本周波数および発声情報）を推定したなら（ステップ３１５）、改良ＭＢＥエンコーダは、１組のスペクトル強度をフレーム毎に推定する（ステップ３２０）。トーン判断（ステップ３０５）によって、現フレームに対してトーン信号が検出されている場合、表１から指定した非ゼロの高調波を除いて、スペクトル強度を０に設定する。非ゼロの高調波には、検出したトーン信号の振幅を設定する。逆に、トーンが検出されない場合、フレームのスペクトル強度を推定するには、１５５点修正カイザー・ウィンドウのような短い重複ウィンドウ関数を用いて音声信号をウィンドウ処理し、次いでウィンドウ処理した信号についてＦＦＴを計算する（通例では、Ｋ＝２５６）。次に、推定した基本周波数の各高調波にエネルギを加算し、和の二乗根が第ｌ高調波のスペクトル強度Ｍｌとなる。スペクトル強度を推定する手法の１つが、米国特許第５，７５４，９７４号において論じられている。その内容は、ここで引用したことによって、本願にも含まれることとする。
【００６９】
通例、改良ＭＢＥエンコーダは、ノイズ抑制方法（ステップ３２５）を含み、推定したスペクトル強度から、知覚される背景ノイズ量を低減するために用いる。１つの方法では、１組の周波数帯域において、局部ノイズ最低値(noise floor)の推定値を計算する。通例では、発声活動検出（ステップ３１０）からのＶＡＤ判断出力を用いて、ボイスが検出されないフレームの間に推定された局部ノイズを更新する。これによって、ノイズ最低値の推定値が、音声レベルではなく、背景ノイズ・レベルの測定値であることの確証が得られる。一旦ノイズの推定値を得たなら、このノイズ推定値のスムージングを行い、典型的なスペクトル減算技法を用いて、推定スペクトル強度から減算する。ここで、減衰の最大量は約１５ｄＢに制限されるのが通例である。ノイズ推定値が０に近い場合（即ち、背景ノイズが殆どまたは全くない場合）、ノイズ抑制を行っても、スペクトル強度には殆どまたは全く変化がない。しかしながら、かなりのノイズがある場合（例えば、窓を開けた車両の中で話すとき）、ノイズ抑制方法によって、推定スペクトル強度にはかなりの改善が得られる。
【００７０】
APCO Project 25 ボコーダの説明書に指定されている標準的なＭＢＥでは、スペクトル振幅は、有声および無声高調波毎に別々に推定する。逆に、改良ＭＢＥエンコーダは、米国特許第５，７５４，９７４号に記載されているように、同じ推定方法を用いて、全ての高調波を推定するのが通例である。この差を補正するために、改良ＭＢＥエンコーダは、無声およびパルス状高調波を補償し（即ち、無声またはパルス状であると明言された発声帯域内の高調波）、以下のように最終スペクトル強度Ｍｌを求める。
【００７１】
【数１】
2004287397.tif 000007
【００７２】
ここで、Ml,nは、ノイズ抑制後の改善されたスペクトル強度であり、ＫはＦＦＴサイズ（通例ではＫ＝２５６）、そしてｆ０はサンプリング・レート（８０００Ｈｚ）に正規化した基本周波数である。最終的なスペクトル強度Ｍｌを量子化して、量子化値ｂ２、ｂ１、．．．、ｂＬ＋１を形成する。Ｌは、フレームにおける高調波の数に等しい。最後に、ＦＥＣコーディングを量子化値に適用し、コーディングの結果、改良ＭＢＥエンコーダから出力ビット・ストリームを形成する。
【００７３】
改良ＭＢＥエンコーダから出力したビット・ストリームは、標準的なAPCO Project 25ボコーダと相互使用可能である。標準的なデコーダは、改良ＭＢＥエンコーダが生成したビット・ストリームをデコードし、高品質の音声を生成することができる。一般に、標準的なデコーダが生成する音声の品質は、標準的なビット・ストリームをデコードする場合よりは、改善したビット・ストリームをデコードしたときの方が高い。このボイス品質の向上は、発声活動検出、トーン検出、ＭＢＥパラメータ推定の改良、およびノイズ抑制というような、改良ＭＢＥエンコーダの様々な形態によるものである。
【００７４】
更に、改善したビット・ストリームを改良ＭＢＥデコーダによってデコードすることによって、ボイス品質を向上させることができる。図２に示すように、改良ＭＢＥデコーダは、通例、標準的なデコード処理（ステップ２２５）を含み、受信したビット・ストリームを量子化値に変換する。標準的なAPCO Project 25ボコーダでは、各フレームは、４つの［２３、１２］ゴレイ・コードと、３つの［１５、１１］ハミング・コードとを含み、これらをデコードして、伝送中に発生し得るビット・エラーを訂正および／または検出する。ＦＥＣデコード処理に続いて、ＭＢＥパラメータ再現（ステップ２３０）を行い、量子化値をＭＢＥパラメータに変換し、続いてＭＢＥ音声合成によって合成を行う（ステップ２３５）。
【００７５】
図７は、特定的なＭＢＥパラメータ再現方法７００を示す。方法７００は、基本周波数および発声再現（ステップ７０５）を含み、続いてスペクトル強度再現（７１０）を含む。次に、適用したスケーリングを全ての無声およびパルス状高調波から解除することによって、スペクトル強度を逆補償する（７１５）。
【００７６】
次に、得られたＭＢＥパラメータを表１と突き合わせてチェックし、有効なトーン・フレームに対応するか否か調べる（ステップ７２０）。一般に、トーン・フレームが特定されるのは、基本周波数が表１におけるあるエントリにほぼ等しく、そのトーンの非ゼロ高調波の発声帯域が有声であり、他の発声帯域全てが無声であり、当該トーンについて表１に指定されている、その非ゼロ高調波のスペクトル強度が、他のスペクトル強度よりも優勢である場合である。トーン・フレームがデコーダによって識別される場合、指定された非ゼロ高調波以外の全ての高調波を減衰させる（２０ｄＢの減衰が通例）。このプロセスによって、ボコーダに用いられるスペクトル強度量子化器が混入する望ましくない高調波サイドローブを減衰させる。サイドローブを減衰させることによって、歪み量が減少し、量子化器に全く変更を加える必要なく、合成したトーンの忠実度を高めることによって、標準的なボコーダとの相互使用可能性を維持する。トーン・フレームが識別されない場合、サイドローブの抑制は、スペクトル強度には適用されない。
【００７７】
手順７００における最終ステップとして、スペクトル強度の改善および適応スムージングを実行する（ステップ７２５）。図８を参照すると、改良ＭＢＥデコーダは、受信した量子化値ｂ０およびｂ１から、手順８００を用いて、基本周波数および発声情報を再現する。最初に、デコーダはｂ０から基本周波数を再現する（ステップ８０５）。次いで、デコーダは、基本周波数から発声帯域の数を計算する（ステップ８１０）。
【００７８】
次に、検査を適用して、受信した発声量子化値ｂ１の値が０で、全無声状態を示すか否か判定を行う（ステップ８１５）。ｂ１の値が０の場合、第２の検査を適用して、受信したｂ０の値が、表２に収容されているｂ０の保存値の１つに等しいか否か判定を行う（ステップ８２０）。これは、基本周波数が、発声状態に関する追加情報を含むことを示す。等しい場合、ある検査を用いて、状態変数ValidCountが０以上か否かチェックする（ステップ８３０）。０以上である場合、デコーダは表２において、受信した量子化値ｂ０に対応するチャネル発声判断を参照する（ステップ８４０）。これに続いて、変数ValidCountを最大３の値まで増分し（ステップ８３５）、続いて表の参照から得たチャネル判定を発声帯域にマッピングする（ステップ８４５）。
【００７９】
ｂ０が、保存されている値の１つとも等しくない場合、最小値−１０以上の値にValidCountを減分する。（ステップ８２５）。
変数ValidCountが０未満の場合、変数ValidCountを最大３の値まで増分する（ステップ８３５）。
【００８０】
３つの検査（ステップ８１５、８２０、８３０）のいずれかが偽であった場合、APCO Project 25 ボコーダの説明書において標準的なボコーダについて記載されているように、受信したｂ１の値から発声帯域を再現する（ステップ８５０）。
【００８１】
再度図２を参照する。一旦ＭＢＥパラメータを再現したなら、改良ＭＢＥデコーダは、出力音声信号を合成する（ステップ２３５）。特定的な音声合成方法９００を図９に示す。この方法は、別個の有声、パルス状、および無声信号成分を合成し、３つの成分を組み合わせて、出力合成音声を生成する。有声音声合成（ステップ９０５）は、標準的なボコーダについて記載した方法を用いてもよい。しかしながら、他の手法では、インパルス・シーケンスおよび有声インパルス応答関数を畳み込み、次いで隣接するフレームからの結果を、ウィンドウ重複加算(windowed overlap-add)を用いて組み合わせる。パルス状音声合成（９１０）は、通例、同じ方法を適用して、パルス状信号成分を計算する。この方法の詳細は、同時係属中の米国特許出願第１０／０４６，６６６号に記載されている。これは、２００２年１月１６日に出願され、その内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれることとする。
【００８２】
無声信号成分の合成（９１５）では、白色ノイズ信号に重み付けを行い、標準的なボコーダについて説明したように、ウィンドウ重複加算を用いて、フレーム群を組み合わせる。最後に、３つの信号成分を合計して（ステップ９２０）、和を形成し、改良ＭＢＥデコーダの出力とする。
【００８３】
尚、ここに記載した技法は、APCO Project 25通信システムおよび当該システムが用いる標準的な７２００ｂｐｓＭＢＥボコーダに関するものであったが、ここに記載した技法は、他のシステムおよび／またはボコーダにも容易に適用可能である。例えば、他の既存の通信システム（例えば、FAA NEXCOM,  Inmarsat、およびETSI GMR）がＭＢＥ型ボコーダを用いると、前述の技法の効果が得られる。加えて、前述の技法は、異なるビット・レートまたはフレーム・レートで動作する音声コーディング・システム、または代わりのパラメータ（例えば、ＳＴＣ、ＭＥＬＰ、ＭＢ−ＨＴＣ、ＣＥＬＰ、ＨＶＸＣまたはその他）を有する異なる音声モデルを用いる音声コーディング・システム、あるいは分析、量子化および／または合成に異なる方法を用いる音声コーディング・システム等、多くの他の音声コーディング・システムにも適用可能である。
【００８４】
その他の実現例も、本発明の範囲内に該当するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、改良したＭＢＥエンコーダ・ユニットおよび改良したＭＢＥデコーダ・ユニットを有する、改良したＭＢＥボコーダを含むシステムのブロック図である。
【図２】図２は、図１のシステムの改良ＭＢＥエンコーダ・ユニットおよび改良ＭＢＥデコーダのブロック図である。
【図３】図３は、図２のエンコーダ・ユニットのＭＢＥパラメータ推定エレメントが用いる手順のフローチャートである。
【図４】図４は、図３のＭＢＥパラメータ推定エレメントのトーン検出エレメントが用いる手順のフローチャートである。
【図５】図５は、図３のＭＢＥパラメータ推定エレメントの発声活動検出エレメントが用いる手順のフローチャートである。
【図６】図６は、改良ＭＢＥエンコーダにおいて基本周波数および発声パラメータを推定する際に用いる手順のフローチャートである。
【図７】図７は、図２のデコーダ・ユニットのＭＢＥパラメータ再現エレメントが用いる手順のフローチャートである。
【図８】図８は、改良ＭＢＥデコーダにおける基本周波数および発声パラメータを再現するのに使用する手順のフローチャートである。
【図９】図９は、図２のデコーダのＭＢＥ音声合成エレメントのブロック図である。
【符号の説明】
【００８６】
１００    ボコーダ
１０５    マイクロフォン
１１０    Ａ／Ｄ変換器
１１５    改良ＭＢＥ音声エンコーダ・ユニット
１２０    ディジタル・ビット・ストリーム
１２５    受信ビット・ストリーム
１３０    改良ＭＢＥ音声デコーダ・ユニット
１３５    Ｄ／Ａ変換ユニット
２００    音声エンコーダ・ユニット
２０５    パラメータ推定ユニット
２１０    ＭＢＥパラメータ量子化ユニット
２１５    ＦＥＣエンコード・パリティ付加ユニット
２２０    ＭＢＥ音声デコーダ・ユニット
２２５    ＦＥＣデコーダ・ユニット
２３０    ＭＢＥパラメータ再現ユニット
２３５    ＭＢＥ音声合成ユニット
【図１】
2004287397.tif 000008
【図２】
2004287397.tif 000009
【図３】
2004287397.tif 000010
【図４】
2004287397.tif 000011
【図５】
2004287397.tif 000012
【図６】
2004287397.tif 000013
【図７】
2004287397.tif 000014
【図８】
2004287397.tif 000015
【図９】
2004287397.tif 000016
【外国語明細書】
2004287397000001.pdf