(57)【要約】  １ビットデジタルオーディオノイズシェーピングのための改良されたΣΔモジュレータ（SDM)である。目的は、緋色ブック仕様書（スーパーオーディオCD規格、SACD）と互換性のある、その規格により圧縮及び解凍された時、高いロスレス圧縮比を達成するビットストリームを生成することである。この目的は、トレリスベースのSDMを用いることにより、及び／またはエンコーダ中の予測フィルタと類似または同一のSDM内の予測フィルタを用いることにより達成される。トレリスSDMは、できるだけ入力信号に近い候補信号の範囲から予測信号を生成するように設計されている。
2006528858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズシェーピング装置であって、
出力信号を生成する少なくとも１つの装置を有し、
前記出力信号は、入力信号と予測信号とに基づき生成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記予測信号は前記出力信号の少なくとも１つの過去の値に基づき生成されることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記少なくとも１つの装置は決定回路であることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記少なくとも１つの装置は量子化部であることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記出力信号の少なくとも１つの過去の値に基づき、前記出力信号の予測された将来の値を生成し、前記出力信号の予測された将来の値を前記少なくとも１つの装置に供給する予測フィルタをさらに有することを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記予測フィルタは、前記出力信号の予測された将来値を前記少なくとも１つの装置に入力する前に重みづけする重み係数を含むことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項６に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記重み係数が無限大の時、前記少なくとも１つの装置の出力信号は前記予測フィルタの出力のみに基づくことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記入力信号を供給するループフィルタをさらに有し、
前記入力信号は前記ループフィルタによりフィルタされることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記ノイズシェーピング装置は先読みΣΔモジュレータであることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記先読みΣΔモジュレータはコスト関数を最小化し、前記コスト関数はロープフィルタの出力、予測フィルタの出力、及び前の出力の関数であることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項９に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記先読みΣΔモジュレータはトレリスΣΔモジュレータであることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記トレリスΣΔモジュレータはコスト関数を最小化し、前記コスト関数はループフィルタの出力、予測フィルタの出力、及び前の出力の関数であることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項９に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記先読みΣΔモジュレータは効率的トレリスΣΔモジュレータであることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のノイズシェーピング装置であって、
前記効率的トレリスΣΔモジュレータはコスト関数を最小化し、前記コスト関数はループフィルタの出力、予測フィルタの出力、及び前の出力の関数であることを特徴とする装置。
【請求項１５】
方法であって、
入力信号と予測信号を受け取るステップと、
前記予測信号を重みづけするステップと、
前記入力信号と前記重みづけされた予測信号に基づき出力信号を生成するステップと、を有し、
前記出力信号は前記入力信号と前記予測信号との関数であり、前記予測信号は前記出力信号の少なくとも１つの過去の値に基づく前記出力信号の将来の値を表すことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ノイズシェーピング装置及び方法に関し、特に、圧縮を改良したノイズシェーピング装置及び方法に関する。
【０００２】
ロスレス圧縮ステップは、スーパーオーディオCD（SACD）を作成するために使用される信号処理の一部である。圧縮ステップを用いて、すべてのデータを１枚のディスクに入る大きさにする。圧縮を実現するアルゴリズムは従来から多数あり、一般に、ダイレクトストリームトランスファ（DST）と呼ばれる。しかし、その圧縮はロスレスなので、ユーザは１枚のSACDにおさまる音楽の大きさに影響を与えることはできない。そのため、ビットストリームを少し変えることにより圧縮比を改善する方法が従来からいろいろある。残念ながら、信号品質を劣化させない（例えば、信号雑音比を95dBより高く維持する）条件では、圧縮ゲインの向上は今のところ限られている（例えば、10％の向上）。
【０００３】
図１は、従来のΣΔモジュレータ（SDM）１０を示す図である。c(t)は、入力x(t)と出力y(t)の間のエラーを表す。出力ビットの符号は、ループフィルターH(z)の出力だけに基づく。
【０００４】
図１は、１ビットSDMの典型的なモデルを示している。デジタルマルチビット入力信号x(t)は、シングルビット出力信号y(t)に変換される。信号d(t)は、ノイズとハーモニックディストーションを含むエラー信号である。c(t)は、周波数重みづけエラー信号である。ローパストランスファ関数H(z)は、ノイズシェーピング効果に関与している。装置Qは、出力シーケンスの決定部である。従来のSDMの場合、Qは以下のように定義された１ビット量子化部である：
【０００５】
【数１】
2006528858.tif 000003
このような実施形態においては、ループ遅延z-1が必要である。さもないと、１ビット量子化部Qは、y(t)が決定される前にy(t)の値を知っている必要がある。この定義の結果、SDM１０は、前の入力と出力の値のみの関数として出力を計算する。新しい出力は、瞬間エラー（c(t)）ができるだけ小さいように選ばれる。しかし、各時刻に独立してエラーを最小化することは、最終的な信号品質にとっても、圧縮率を決定する信号の最終エントロピーにとっても必ずしも最良の解決策ではない。
【０００６】
本発明の目的の１つは、オーディオ品質を維持しつつ、ノイズシェーピング装置のロスレス圧縮性能を向上するソリューションを提供することである。
【０００７】
このため、本発明は、ノイズシェーピング装置であって、出力信号を生成する少なくとも１つの装置を有し、前記出力信号は、入力信号と予測信号とに基づき生成されることを特徴とする装置を提供する。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態において、前記予測信号は前記出力信号の少なくとも１つの過去の値に基づき生成される。
【０００９】
少なくとも１つの実施形態において、前記少なくとも１つの装置は決定装置である。少なくとも１つの実施形態において、前記少なくとも１つの装置は量子化部である。少なくとも１つの実施形態において、前記出力信号の少なくとも１つの過去の値に基づき、前記出力信号の予測された将来の値を生成し、前記出力信号の予測された将来の値を前記少なくとも１つの装置に供給する予測フィルタをさらに有する。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態において、前記予測フィルタは、前記出力信号の予測された将来値を前記少なくとも１つの装置に入力する前に重みづけする重み係数を含む。
【００１１】
少なくとも１つの実施形態において、前記重み係数がゼロの時、前記少なくとも１つの装置の出力信号は前記ループフィルタの出力のみに基づく。
【００１２】
少なくとも１つの実施形態において、前記重み係数が無限大の時、前記少なくとも１つの装置の出力信号は前記予測フィルタの出力のみに基づくことを特徴とする装置。
【００１３】
少なくとも１つの実施形態において、前記ノイズシェーピング装置は安定性向上装置である。少なくとも１つの実施形態において、前記ノイズシェーピング装置は「先読み」装置である。少なくとも１つの実施形態において、前記ノイズシェーピング装置はΣΔモジュレータ（SDM）である。少なくとも１つの実施形態において、前記ΣΔモジュレータはトレリスΣΔモジュレータであるか、または効率的トレリスΣΔモジュレータである。
【００１４】
このため、本発明の少なくとも１つの実施形態は、ループフィルタの出力と予測フィルタの出力の両方に基づくコスト関数を用いることにより、ビットストリームの圧縮可能性と信号品質との間をトレードオフさせる。トレリスタイプのSDMを使用するとき、出力ビットストリームの圧縮可能性は約20％高くなるが、信号品質はよいままである。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態において、前記トレリスΣΔモジュレータはコスト関数を最小化し、前記コスト関数はループフィルタの出力、予測フィルタの出力、及び前の出力の関数である。
【００１６】
少なくとも１つの実施形態において、コスト関数は、
【００１７】
【数２】
2006528858.tif 000004
により表される。ここで、C(t)は現在時刻tにおけるコスト関数であり、C(t-1)は前の時刻におけるコスト関数であり、c(t)は瞬間エラー信号である。
【００１８】
少なくとも１つの実施形態において、コスト関数は、
【００１９】
【数３】
2006528858.tif 000005
により表される。ここで、CT(t)は総コスト関数であり、CP(t)は現在予測エラーであり、βは重み因子である。
【００２０】
少なくとも１つの実施形態において、コスト関数は、
【００２１】
【数４】
2006528858.tif 000006
により表される。ここで、
【００２２】
【数５】
2006528858.tif 000007
は予測フィルタの出力であり、y(t)はノイズシェーピング装置の出力である。
【００２３】
少なくとも１つの実施形態において、前記トレリスΣΔモジュレータはコスト関数を最小化し、前記コスト関数はループフィルタの出力、予測フィルタの出力、及び前の出力の関数である。
【００２４】
少なくとも１つの実施形態において、コスト関数は、
【００２５】
【数６】
2006528858.tif 000008
により表される。
【００２６】
このため、本発明は、方法であって、入力信号と予測信号を受け取るステップと、
前記予測信号を重みづけするステップと、前記入力信号と前記重みづけされた予測信号に基づき出力信号を生成するステップと、を有し、前記出力信号は前記入力信号と前記予測信号との関数であり、前記予測信号は前記出力信号の少なくとも１つの過去の値に基づく前記出力信号の将来の値を表すことを特徴とする方法も提供する。
【００２７】
本発明は、以下に記載した詳細な説明と添付した図面からより完全に理解されるであろう。これらは例示を目的とするものであり、従って本発明を限定するものではない。
【００２８】
図２は、SACD使用者（緋色ブック）による予測符号化の原理を示す図である。フィルターA(z)は、前のサンプルy(t-n),．．．,y(t)に基づいて、将来のサンプル
【００２９】
【数７】
2006528858.tif 000009
の予測をするように設計されている。明らかなことは、この予測がよければよいほど、一般的に、圧縮もよくなることである。フィルターA(z)の予測と一致するビットストリームをできるだけ生成できれば、圧縮は高くなる。図２において、Qは、上述の通り従来の１ビット量子化部である。
【００３０】
図３は、本発明の実施形態によるノイズシェーピング装置２０を示す図である。出力y(t)は、ループフィルタH(z)の出力と予測フィルタA(z)の出力の両方に基づく。
【００３１】
重み係数βがゼロのとき、決定回路DMの決定は、ループフィルタH(z)の出力だけに基づき、ノイズシェーピング装置２０は（図１に示したような）標準的なSDMと同じである。重み係数βが無限に大きいとき、出力は予測フィルタA(z)のみに基づく（その結果、出力ストリームは完全に圧縮可能であるが、入力信号xを正確には表さない）。βが中間の値である場合、ノイズシェーピング装置２０は、信号性能（高い信号雑音比）と圧縮可能性の両方をよくすることができ、その組み合わせは所望のようにすることができる。
【００３２】
本発明の一実施形態において、DMは従来の１ビット量子化部ではなく、トレリスSDMまたは効率的トレリスSDMとして実施される。効率的トレリスSDMは、トレリスSDMと同じ利点を有するが、計算量は少なくて済む。本発明の実施形態において、トレリスSDMまたは効率的トレリスSDMは、コスト関数を減じ、または最小化する。そのように最小化するためのアルゴリズムとしては、トレリスビタビアルゴリズムがある。それゆえ、このコンセプトに基づくSDMは「トレリスSDM」と呼ばれる。トレリスSDMの場合、コスト関数C(t)は以下のように定義される：
【００３３】
【数８】
2006528858.tif 000010
式（２）のコスト関数をCT(t)で置き換えることにより、図３のコンセプトをトレリスSDMに適用することができる：
【００３４】
【数９】
2006528858.tif 000011
ここで、コスト関数CP(t)は、（A(z)による）予測値と異なる出力ビットへのペナルティである。原理的に、コスト関数CP(t)はどんなものを選択してもよい。式（４）に例を示す。
【００３５】
【数１０】
2006528858.tif 000012
式（４）を選択する場合、ノイズシェーピング装置２０は、有限のβに対しては安定であり、信号特性がよく、ビットストリーム圧縮可能性が高まる。留意すべきことは、当業者には分かるように、上で説明したものに替えて、またはそれに追加して、多数の異なるコスト関数を利用することができることである。
【００３６】
達成できる改良点を例示するために、SNRが110dBの標準的SDMにより生成されたビットストリームを例として考える。このビットストリームは、従来のアルゴリズムにより2.6倍に圧縮することができる。上記のコンセプトを適用すると、圧縮率を3.4倍に高めることができ、一方、SNRは101dBにまで下がる。さらにまた、重み因子βを変えることにより、圧縮可能性と信号品質とのトレードオフを実現することができる。
【００３７】
上述のアルゴリズムを変形することは、予測フィルタA(z)の適応性を含み、その結果、（計算量が増えるが）アルゴリズムの性能が向上する。
【００３８】
図４は、本発明の一実施形態によるノイズシェーピング装置３０を示す図である。決定回路は加算部と量子化部Qに置き換えられている。
【００３９】
少なくとも１つの実施形態において、ノイズシェーピング装置２０は、安定性向上装置である。少なくとも１つの実施形態において、ノイズシェーピング装置２０は、「先読み」装置である。少なくとも１つの実施形態において、ノイズシェーピング装置２０は、ΣΔモジュレータ（SDM）である。少なくとも１つの実施形態において、ΣΔモジュレータはトレリスΣΔモジュレータか、または効率的トレリスΣΔモジュレータである。
【００４０】
上で説明したように、本発明の実施形態は、デジタルノイズシェーピング装置である。しかし、本発明は、アナログノイズシェーピング装置（フィードバックまたはフィードフォワードのいずれか）にも適用可能である。さらに留意すべきことは、本発明の機能は、多くのタイプのノイズシェーパ、SDM、及び安定化向上装置とともに使用できることである。例えば、フィードバック、フィードフォワード、離散時間、ソフトウェア、ハードウェア、アナログ、デジタル、SCフィルター、ディザード、アンディザード、低次、高次、シングルビット、マルチビット、またはこれらの特徴の組み合わせを含む。また、本発明の機能は、ノイズシェーパ及び／または安定化向上装置とともに使用でき、SDM及び／または他の装置と組み合わて（例えば、カスケードして）もよいし、単独でもよい。
【００４１】
本発明の原理は、マルチビットノイズシェーピング装置にも同様に適用することができる。現在の最先端の圧縮アルゴリズムでは、予測フィルタも利用され、この場合、一般的に、予測フィルタの予測パワーが大きいければ、よりよい圧縮を達成することができる。本発明の教示を用いて、予測フィルタの特性によりよく適合するようにマルチビット信号をノイズシェーピングすることにより、シングルビット信号について説明したのと同じ方法で、よりよい圧縮を達成することができる。
【００４２】
さらに留意すべきことは、上で説明したいろいろな実施形態の構造的及び帰納的特徴は、交換して使用しても、個別に使用しても、組み合わせて使用してもよい。
【００４３】
本発明の実施形態による装置は、ADC及び／またはDDコンバータに含めてもよい。そのようなADC及び／またはDDコンバータは、スーパーオーディオCD（SACD）装置（例えば、プレーヤ）のための信号処理アプリケーション／装置の一部である。
【００４４】
留意すべきことは、上で説明した処理は、DSDの処理に特に有用であるということである。
【００４５】
さらに留意すべきことは、入力はビットストリームに限定する必要は無く、アナログでもデジタルでもよいことである。留意すべきことは、上で説明した実施形態は、本発明を限定ではなく例示するものであり、本技術分野の当業者は、添付した請求項の範囲から逸脱することなく、別の多数の実施形態を設計することができることである。請求項において、括弧に入った参照符号は請求項を限定するものと解釈してはならない。「有する」という用語は、請求項に列挙したもの以外の構成要素やステップがあることを排除するものではない。「一」、「１つの」、「少なくとも１つの」等の用語は、それが修飾するものが１つまたはそれ以上含まれていることを意図している。本発明は、複数の異なる構成要素を有するハードウェアによっても、好適にプログラムされたコンピュータによっても実施することができる。複数の手段を列挙している装置クレームにおいて、その手段の一部を１つの同じハードウェアにより実施することができる。複数の手段が異なる従属クレームに記載されていても、これらの手段を組み合わせて有利に使用することができないことを示しているものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来のSDMを示す図である。
【図２】従来技術による予測符号化の原理を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるノイズシェーピング装置を示す図である。
【図４】本発明の他の実施系によるノイズシェーピング装置を示す図である。
【図１】
2006528858.tif 000013
【図２】
2006528858.tif 000014
【図３】
2006528858.tif 000015
【図４】
2006528858.tif 000016
【国際調査報告】
2006528858.tif 000017
2006528858.tif 000018