(57)【要約】【課題】　サンプリングされた音声信号を長時間予測（ＬＴＰ）を使用して音声符号化する方法と装置とを提供する。【解決手段】　信号中のフレームについて所定の最大遅延及び最小遅延の間の自己相関関数を始1めに決定することによって、この音声信号の各フレームについてＬＴＰピッチ−ラグ・パラメータを決定する。最も最近の有声フレームについて決定されたピッチ−ラグ・パラメータの近辺の遅延について前記自己相関関数を強調するために、前記自己相関関数に重み付けをする。この重み付けされた自己相関関数の最大値を発見して、それをそのフレームについてのピッチ−ラグ・パラメータと認定する。【選択図】　　　図４
2004038211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　サンプリングされた信号をこの信号のフレームの系列の中の各フレームについてピッチ−ラグ・パラメータを使って音声符号化する方法であって、各フレームについて：
　前記信号中のフレームについて所定の最大遅延と最小遅延との間の自己相関関数を決定し；
　前のフレームについて決定されたピッチ−ラグ・パラメータの近辺での遅延についてその自己相関関数を強調するためにこの自己相関関数に重み付けをし；
　重み付けされた自己相関関数の最大値に対応する遅延を前記フレームのピッチ−ラグ・パラメータと認定することを特徴とする方法。
【請求項２】
　前記重み付け関数は下記の形：
【数１】
2004038211.tif 000016
を持っており、ここでＴoldは前記前のフレームのピッチ−ラグであり、ｄLは前記最小遅延であり、Ｋnwは前記近辺での重み付けを定義する調整パラメータであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
　それぞれの前のフレームについて決定された複数のピッチ−ラグの中央値の近辺での遅延を強調するように前記自己相関関数に重み付けをすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
　前記重み付け関数は下記の形：
【数２】
2004038211.tif 000017
を持っており、ここでＴmedはそれぞれの前のフレームについて決定された複数のピッチ−ラグの中央値であり、ｄLは前記最小遅延であり、Ｋnwは前記近辺での重み付けを定義する調整パラメータであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
　前記重み付け関数は、前記の複数のピッチ−ラグの標準偏差に反比例する因数を包含させられることによって修正されることを特徴とする請求項４項に記載の方法。
【請求項６】
　前記重み付けは、更に、長い遅延より短い遅延を強調するようになっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
　前記強調は下記の因数：
【数３】
2004038211.tif 000018
によってもたらされ、ここでＫwはもう一つの重み付けパラメータであることを特徴とする請求項４項に記載の方法。
【請求項８】
　前記フレームを有声フレーム及び非有声フレームに分類するステップを含み、前記前のフレームは最も最近の有声フレームであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
　前記前のフレームが最も最近のフレームでなければ、重み付けは縮小されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
　連続する非有声フレームの列が受信された後、その列内のフレームの個数に実質的に比例させて重み付けを縮小することを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
　調整パラメータは下記の形：
　　　 log2 ＫnwＡ
に修正され、ここでＡは、連続する非有声フレームの列の各フレームの受信後に、又はその列中の所定の複数のフレームの受信後に増大される調整因数であって、次の有声フレームについてはその最小値に戻されるようになっていることを特徴とする、請求項２又は４に従属したときの請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
　サンプリングされた信号をこの信号のフレームの系列の中の各フレームについてピッチ−ラグ・パラメータを使って音声符号化する装置であって、この装置は：
　各フレームについて該信号内のフレームの所定の最大遅延と最小遅延との間の自己相関関数を決定するための手段と；
　前のフレームについて決定されたピッチ−ラグ・パラメータの近辺での遅延について前記自己相関関数を強調するためにこの自己相関関数に重み付けをするための重み付け手段と；
　重み付けされた自己相関関数の最大値に対応する遅延を前記フレームのピッチ−ラグ・パラメータと認定するための手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項１３】
　請求項１２の装置を有する移動通信装置。
【請求項１４】
　請求項１２に記載の装置を有する基地コントローラ局を有するセルラー電話通信網。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、音声符号化に関し、特に、長時間予測（long term prediction (LTP)）パラメータを使用する音声符号化方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　送信され、処理され、或いは記憶されるデータの量を減らすために可聴音声信号を圧縮することが望ましい多くの通信アプリケーションで音声符号化が行われる。特に、音声信号に対して符号化及び復号化を実行するいわゆる音声符復号器が移動電話及び通信基地コントローラ局に設けられるセルラー電話通信網において音声符号化が広く行われている。セルラー電話通信網においては通信網の通話容量をなるべく大きくする必要があるために、音声符号化によるデータ圧縮が必要である。
【０００３】
　最新の音声符号器は、通常、フレームと呼ばれる短いセグメントを成す音声信号を処理するようになっている。ＧＳＭとして知られている欧州デジタルセルラー電話システム（欧州通信規格協会（ETSI）仕様０６．６０により定義されている）の場合、各フレームの長さは２０ｍｓであり、これは８ｋＨｚのサンプリング周波数で１６０音声サンプルに相当する。送信局で、受信局に送信される符号化パラメータの集合を抽出するために音声符号器により各音声フレームが分析される。受信局では、受信したパラメータに基づいて復号器が合成音声フレームを作る。抽出された符号化パラメータの典型的集合は、信号の短時間予測に使われるスペクトル・パラメータ（ＬＰＣパラメータとして知られている）、信号の長時間予測に使われるパラメータ（ＬＴＰパラメータとして知られている）、種々の利得パラメータ、励起パラメータ、及びコードブック・ベクトルを含む。
【０００４】
　図１はいわゆるＣＥＬＰ符復号器の符号器の概略を示している（実質的に同一のＣＥＬＰ符復号器が移動局と基地コントローラ局との両方に設けられる）。受信されサンプリングされた音声信号s(n)（ｎはサンプルの番号を意味する）の各フレームは、始めにこのフレームについてＬＰＣパラメータを決定するために短時間予測ユニット１によって分析される。それらのパラメータはマルチプレクサ２に供給され、このマルチプレクサは、符号化パラメータ同士をエアインターフェースを介して送信するために結合させる。短時間予測ユニット１からの残差信号r(n)、即ち短時間冗長性が除去された後の音声フレームは、ＬＴＰパラメータを決定する長時間予測ユニット３に供給される。それらのパラメータはマルチプレクサ２に供給される。
【０００５】
　この符号器は、ＬＴＰパラメータ及びＬＰＣパラメータをそれぞれ受け取るＬＴＰ合成フィルタ４及びＬＰＣ合成フィルタ５を有する。これらのフイルタは、コードブック６を使って作られた信号c(n)に短時間冗長性及び長時間冗長性を導入して合成音声信号ss(n)を作る。この合成音声信号は、エラー信号e(n)を作るために比較器７において現実の音声信号s(n)とフレーム毎に比較される。重み付けフイルタ８（これは信号の‘フォルマント’を公知のように強調する）でエラー信号が重み付けされた後、この信号はコードブック検索ユニット９に入力される。検索ユニット９は、各フレームについてコードブック６を検索して、このコードブックの中の、実際の音声フレームと最もよく一致する項目を特定する、即ちエラー信号e(n)を最小にする信号c(n)を判定する。最もよく一致する項目を特定するベクトルが、符号化された音声信号t(n)の一部分としてエアインターフェースを介して送信されるべくマルチプレクサ２に供給される。
【０００６】
　図２は、ＣＥＬＰ符復号器の復号器を略図示している。受信された符号化されている信号t(n)はデマルチプレクサ１１により多重化解除されて別々の符号化パラメータにされる。コードブック・ベクトルは、コードブック項目c(n)の列を抽出するために、符号器のコードブック６と同一のコードブック１２に入力される。直列に配置されているＬＴＰ合成フイルタ１４及びＬＰＣ合成フイルタ１５に入力される前に、受信された利得ｇが乗算器１３においてその信号c(n)に乗じられる。ＬＴＰフイルタ及びＬＰＣフイルタは関連するパラメータを伝送チャネルから受け取って、この信号に短時間冗長性及び長時間冗長性を再導入して出力に合成音声信号ss(n)を作る。
【０００７】
　ＬＴＰパラメータは、音声信号の基本周波数を記述するいわゆるピッチ−ラグ・パラメータを含んでいる。残差信号の現在のフレームについてのピッチ−ラグの決定は２段階で実行される。始めに、信号の、現在のフレームと最もよく一致する部分について、所定の最大遅延及び最小遅延を仮定して、残差信号の割合に粗い検索を含む開ループ検索が行われる。次に、既に合成された信号に対して閉ループ検索が行われる。この閉ループ検索は、ピッチ−ラグの開ループ推定値の近辺で遅延の小さな範囲にわたって行われる。開ループ検索で間違いがあると、その間違いを閉ループ検索で訂正することはできないことに注意するべきである。
【０００８】
　初期の符復号器では、開ループＬＴＰ分析は、残差音声信号の中のフレームの自己相関関数：
【０００９】
【数１】
2004038211.tif 000003
を決定することによって残差信号の与えられたフレームについてピッチ−ラグを決定する。ここでｄは遅延であり、r(n)は残差信号であり、ｄL及びｄHは遅延検索限界である。Ｎはフレームの長さである。自己相関関数Ｒ＾(d)の最大値に対応する遅延ｄmaxとしてピッチ−ラグｄplを特定することができる。それが図３に示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
　しかし、この様な符復号器では、自己相関関数の最大値がピッチ−ラグの整数倍又は約数と一致し、従ってピッチ−ラグの推定値が正しくなくなる可能性がある。ヨーロッパ特許出願EP0628947 は、自己相関関数Ｒ＾(d)に重み関数w(d)をかける：
【００１１】
【数２】
2004038211.tif 000004
ことによってこの問題に対処しており、この重み関数は次の形：
【００１２】
【数３】
2004038211.tif 000005
を持っており、ここでＫはＲ＾W(d) の最大値がピッチ−ラグの倍数となる確率を減少させるのに充分な程度に小さく且つ同時にピッチ−ラグの約数を除外するのに充分な程度に大きい値に設定される調整パラメータである。
【００１３】
　EP0628947 は、現在のフレームについてピッチ−ラグを決定するのに前のフレームについて決定されたピッチ−ラグを考慮することも提案している。より具体的には、フレームは‘有声’又は‘無声’に分類され、最も最近の有声フレームについて決定されたピッチ−ラグの近辺で最大値を探す検索が実行される。もしＲ＾W(d) の全体としての最大値がこの近辺の外側にあり、且つこの近辺での最大値を所定のファクタ（３／２）より大きくは上回らなければ、その近辺での最大値がピッチ−ラグに相当するものと認められる。この様にしてピッチ−ラグ推定の連続性が保たれて、ピッチ−ラグが擬似的に変化する可能性が減少する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
　本発明は、一面においては、サンプリングされた信号をこの信号のフレームの系列の中の各フレームについてピッチ−ラグ・パラメータを使って音声符号化する方法を提供するものであり、この方法は、各フレームについて：
　信号中のフレームについて所定の最大遅延と最小遅延との間の自己相関関数を決定し；
　前のフレームについて決定されたピッチ−ラグ・パラメータの近辺での遅延についてその自己相関関数を強調するためにこの自己相関関数に重み付けをし；
　重み付けされた自己相関関数の最大値に対応する遅延を前記フレームのピッチ−ラグ・パラメータと認定するステップを有する。
【００１５】
　好ましくは、前記サンプリングされた信号は、オーディオ信号から短時間冗長性を実質的に除去することによってオーディオ信号から得られる残差信号である。或いは、サンプリングされた信号はオーディオ信号であってもよい。
【００１６】
　好ましくは、前記重み付けは、自己相関関数を下記の形：
【００１７】
【数４】
2004038211.tif 000006
を有する重み付け関数と結合させることによって達成され、ここでＴprevは１つ以上前のフレームに基づいて決定されたピッチ−ラグ・パラメータであり、ｄLは前記最小遅延であり、Ｋnwは近辺の重み付けを画定する調整パラメータである。また、重み付け関数は、長い遅延に対して相対的に短い遅延について自己相関関数を強調してもよい。この場合、下記の修正された重み付け関数：
【００１８】
【数５】
2004038211.tif 000007
が使用され、ここでＫwは別の調整パラメータである。
【００１９】
　本発明の或る実施例では、Ｔprevは、前の１つのフレームＴoldのピッチ−ラグである。しかし、他の実施例では、Ｔprevは、前の数個のフレームのピッチ−ラグから導出される。具体的には、Ｔprevは、所定数の前のフレームのピッチ−ラグの中央値に相当することができる。前記中央値を決定するのに使われるｎ個のピッチ−ラグの標準偏差に反比例する別の重み付けを行ってもよい。この方法を使用すれば、自己相関関数の重み付けに対する間違っているピッチ−ラグ値の影響を減少させることができる。
【００２０】
　好ましくは、この方法は、前記フレームを有声フレーム及び非有声フレームに分類するステップを有し、前記前のフレームは最も最近の有声フレームである。非有声フレームは無声フレームと、静寂又は暗騒音を含むフレームとを含むことができる。より好ましくは、もし前記前のフレームが最も新しいフレームでなければ、重み付けは簡略化される。１実施例では、連続する非有声フレームの系列が受信されたときには、その系列中の非有声フレームの個数に実質的に比例するように重み付けを縮小する。前節で提示した重み付け関数Ｗn(d) については、調整パラメータＫnwを次のように修正することができる：
【００２１】
【数６】
2004038211.tif 000008
　ここでＡは連続する非有声フレームの系列の中の各フレームが受信された後に大きくされる、もう一つの調整因数である。重み付けは、次の有声フレームについては、Ａをその最小値に戻すことによって、その最大値に戻される。Ａの値を同様に有声フレームの受信後に大きくすることができ、それは所定しきい利得より小さい開ループ利得をもたらす。
【００２２】
　本発明は、第２の面においては、サンプリングされた信号を、この信号のフレーム列の各々についてピッチ−ラグ・パラメータを使って音声符号化するための装置を提供するものであり、この装置は：
　各フレームについて、信号中のフレームの、所定の最大遅延及び最小遅延の間の自己相関関数を決定するための手段と；
　前のフレームについて決定されたピッチ−ラグ・パラメータの近辺の遅延について前記自己相関関数を強調するために前記自己相関関数に重み付けをするための重み付け手段と；
　その重み付けされた自己相関関数の最大値に対応する遅延を前記フレームについてのピッチ−ラグ・パラメータと認定するための手段とを有する。
【００２３】
　本発明は、第３の面においては、本発明の上記第２面による装置を有する移動通信装置を提供するものである。
　本発明は、第４の面においては、本発明の上記第２面による装置を有する基地コントローラ局からなるセルラー電話通信網を提供するものである。
　本発明をよりよく理解してもらい、本発明の実施方法を示すために、例として添付図面を参照する。
【発明の効果】
【００２４】
　信号中のフレームについて所定の最大遅延及び最小遅延の間の自己相関関数を始めに決定することにより、この音声信号の各フレームについてＬＴＰピッチ−ラグ・パラメータを決定する。最近の有声フレームについて決定されたピッチ−ラグ・パラメータの近辺の遅延について自己相関関数を強調するために、自己相関関数に重み付けをする。この重み付けされた自己相関関数の最大値を発見して、それをそのフレームについてのピッチ−ラグ・パラメータと認定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
　サンプリングされた音声信号のフレームについてのピッチ−ラグ・パラメータの開ループ予測に使用される方法及び装置について説明をする。この方法の主なステップは、図４の流れ図に示されている。ここで説明する方法及び装置は、図１を参照して既に説明したＣＥＬＰ符復号器などの、その他の点では従来通りに構成された音声符復号器に組み込まれ得るものである。
【００２６】
　サンプリングされた、符号化されるべき音声信号は、一定の長さのフレームに分割される。既に説明したように、受信されたとき、フレームは始めにＬＰＣ予測ユニット１に入力される。通常、元の音声信号の、ＬＰＣ予測が行われて該信号の短時間冗長性が抜き取られた後に残っている部分である残差信号に対して開ループＬＴＰ予測が行われる。この残差をr(n)で表わすことができ、このｎはサンプル番号を示す。自己相関関数はフレームについて：
【００２７】
【数７】
2004038211.tif 000009
によって決定され、ここでｗ(d) は、下記の式：
【００２８】
【数８】
2004038211.tif 000010
で与えられる重み付け関数であり、Ｔoldは、最も最近に受信され、処理された有声フレームについて決定されたピッチ−ラグであり、ｎ、Ｎ、ｄL、ｄHは上で定義されている。Ｋnw及びＫは、通常は０．８５の値を有する調整パラメータである。追加の調整パラメータＡについては後で説明する。
【００２９】
　フレームについて開ループＬＴＰパラメータが決定された後、そのフレームは（パラメータＴoldを式（２）で使用するためにフィードバックできるように）有声又は無声に分類される。この分類は、いろいろな方法で行われ得るものである。１つの適当な方法は、開ループＬＴＰ利得ｂを決定して、このｂを何らかの所定しきい利得と、或いはより好ましくは下記の式：
　　ｂthr＝（１−α) Ｋb ｂ＋αｂthr-1 　　　　｛３｝
で与えられる適応しきい利得ｂthrと比較するという方法であり、ここでαは減衰定数（０．９９５）であり、Ｋbはスケールファクター（０．１５）である。項ｂthr-1は、直前のフレームについて決定されたしきい利得である。フレームを有声又は無声に分類するためのもう一つの基準、或いは追加の基準は、前記フレーム内での残差信号の‘ゼロ・クロッシング’率を決定することである。クロッシング率が割合に高いことは、フレームが無声であることを示し、クロッシング率が低いことはそのフレームが有声であることを示す。適当なしきい値は、フレームの長さＮの3/4 である。
【００３０】
　フレームを有声又は無声に分類するためのもう一つの或いは追加の基準は、ピッチ−ラグが変化する速度である。フレームについて決定されたピッチ−ラグが最近のフレームの集合について決定された’平均’ピッチ−ラグから著ぢるしくずれているならば、そのフレームを無声フレームに分類することができる。ずれが比較的に小さければ、そのフレームは有声フレームに分類することができる。
【００３１】
　｛２｝により与えられる重み付け関数ｗn(d) は、重み付けされた自己相関関数Ｒ＾W(d) を旧ピッチ−ラグＴoldの近辺で強調させる第１項
【００３２】
【数９】
2004038211.tif 000011
を有する。式｛２｝の左辺の第２項
【００３３】
【数１０】
2004038211.tif 000012
は、小さなピッチ−ラグ値を強調させる。これら２つの項の組み合わせは、正しいピッチ−ラグの倍数又は約数が重み付けされている自己相関関数の最大値を生じさせる可能性を著しく低下させるのに役立つ。
【００３４】
　もし、現在のフレームiについてのピッチ−ラグが決定された後に、そのフレームが有声に分類され、そのフレームについての開ループ利得が何らかのしきい値（例えば０．４）より大きいと判定されたならば、式｛２｝の中の調整因数Ａは次のフレーム（i+1)については１にセットされる。しかし、現在のフレームが無声に分類され、或いは開ループ利得がしきい値より小さいと判定されたならば、調整因数は下記のように修正される：
　　　Ａi+1=1.01Ａi　　　　　｛４｝
【００３５】
　連続する無声フレーム列中の各無声フレーム（或いは、開ループ利得がしきい値より小さい場合には、有声フレーム）について式｛４｝に従って調整因数Ａを修正することができる。しかし、所定数の連続する無声フレームが受信された後に、例えばこの連続する無声フレームの集合が受信される毎に、はじめて式｛４｝を適用するのが好ましい。組み合わせ重み付け因数ＫnwＡの上限が１．０である場合には近辺の重み付け因数Ｋnwは通常は０．８５にセットされ、その限界値では重み付けは全ての遅延ｄ＝ｄL〜ｄHで均一である。
【００３６】
　或いは、所定数（例えば３個）の重み付け関数w(d)だけを使用してもよい。各関数にはしきいレベルが割り当てられ、例えば｛４｝で定義されている項などの適応項がそのしきいレベルを超えたときにはそれらの関数のうちの特定の１つが選択される。限られた数の重み付け関数を定義することの利点は、定義された関数をメモリーに記憶させることができることである。従って、新しいフレームの各々について重み付け関数を計算し直す必要はなくなる。
【００３７】
　上記の方法を実行するための簡単なシステムが図５に略図示されており、ここでシステムへの入力１６は、ＬＰＣ予測ユニット１から供給される残差信号である。残差信号１６は、残差信号の各フレームについて相関関数を作成するフレーム相関器１７に供給される。各フレームについての相関関数は第１重み付けユニット１８に入力され、このユニットは式[2]の第２項、即ち
【００３８】
【数１１】
2004038211.tif 000013
に従ってその相関関数に重み付けをする。その重み付けされた関数は第２重み付けユニット１９に入力され、このユニット１９は式｛２｝の第１項、即ち
【００３９】
【数１２】
2004038211.tif 000014
に従って前記相関関数に付加的な重み付けを行う。パラメータＴoldはバッファ２０で保管され、このバッファは、分類ユニット２１が現在のフレームを有声フレームに分類する場合に限って、システムの出力によって更新される。重み付けされた相関関数は検索ユニット２２に入力され、このユニットは、重み付けされた関数の最大値を特定し、その最大値から現在のフレームのピッチ−ラグを決定する。
【００４０】
　本発明の範囲から逸脱することなく上記の実施例に様々な修正を加え得ることを専門家は認めるであろう。特に、最も最近の有声フレームについて得られた間違ったピッチ−ラグ推定が現在の推定をあまり大幅に混乱させるのを防止するために、最も最近のｎ個の有声フレームについて推定されたピッチ−ラグを記憶するように図５のバッファ２０を構成することができる（ｎは例えば４である）。重み付けユニット１９が適用する重み付け関数は、パラメータＴoldを、緩衝記憶されているｎ個のピッチ−ラグの中央値であるパラメータＴmedと置き換えることによって修正される。
【００４１】
　別の修正では、ユニット１９で適用される重み付けは、バッファ２０に記憶されているｎ個のピッチ−ラグ値の標準偏差に反比例する。これは、緩衝記憶されているｎ個のピッチ−ラグ同士の差があまり大きくないときにはピッチ−ラグの中央値の近辺での重み付けを強調し、ｎ個のピッチ−ラグ同士の差が割合に大きいときには逆に重み付けの強調を解除するという効果を有する。例えば、次のように３つの重み付け関数を使用することができる：
【００４２】
【数１３】
2004038211.tif 000015
　ここでＫm1，Ｋm2，Ｔｈ1 ，及びＴｈ2 は、例えばそれぞれ０．７５，０．９５，２，及び６に等しい調整パラメータである。ピッチ−ラグが大きいときに生じる標準偏差の大幅な変動に対処するために、式｛５｝の中のしきい値Ｔｈ1及びＴｈ2をピッチ−ラグ中央値Ｔmedに比例させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ＣＥＬＰ音声符号器を示す略図である。
【図２】ＣＥＬＰ音声復号器を示す略図である。
【図３】符号化されるべき音声信号のフレームと、このフレームについての自己相関関数を決定するのに使用される最大遅延及び最小遅延とを示す。
【図４】本発明の実施例の音声符号化方法の主なステップを示す流れ図である。
【図５】図４の方法を実施するためのシステムを示す略図である。
【符号の説明】
【００４４】
　　　　１７　　フレーム相関器
　　　　１８、１９　　重み付けユニット
　　　　２０　　バッファ
　　　　２１　　分類ユニット
　　　　２２　　検索ユニット
【図１】
2004038211.tif 000019
【図２】
2004038211.tif 000020
【図３】
2004038211.tif 000021
【図４】
2004038211.tif 000022
【図５】
2004038211.tif 000023