(57)【要約】ノイズシェーピング変調（７）によりオーディオ信号をデジタル信号に変換する工程（５）、所定のサンプリングレートで前記デジタル信号を圧縮デジタル信号へ圧縮符号化する工程（３）、及び前記圧縮デジタル信号を供給する工程を有するオーディオ信号を処理する方法であって、前記ノイズシェーピング変調が、少なくとも一つのパラメータ（Ｐ）に応じて適応する方法が提供される。
2004508755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズシェーピング変調によりオーディオ信号をデジタル信号に変換する工程、所定のサンプリングレートで前記デジタル信号を圧縮デジタル信号に圧縮符号化する工程、及び前記圧縮デジタル信号を供給する工程を有する、オーディオ信号を処理する方法において、前記ノイズシェーピング変調が、少なくとも一つのパラメータに応じて適応することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記変換工程が、前記適応ノイズシェーピング変調に先立つ前記オーディオ信号のローパスフィルタリングを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記ローパスフィルタリングは、少なくとも一つのパラメータに応じて適応することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記適応ノイズシェーピング変調及び／又は前記適応ローパスフィルタリングは、フィードバック制御により制御され、前記少なくとも一つのパラメータは、前記デジタル信号から得られる信号レベルを有することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記適応ノイズシェーピング変調は、非適応シグマデルタ変調に先立つ適応ローパスフィルタリングを有することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記圧縮符号化は、前記デジタル信号の線形予測フィルタリングを有し、前記少なくとも一つのパラメータは、前記予測フィルタリングから得られるデータに基づくことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記少なくとも一つのパラメータは、前記デジタル信号の選択された周波数帯域におけるシグナルパワーを有することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記選択された周波数帯域は、２０ｋＨｚ以上であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、前記適応ノイズシェーピング変調は、２０ｋＨｚ以上の少なくとも一つの極を持つ適応シグマデルタ変調を有することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記極は、３００ｋＨｚ以上の高周波数域に位置付けられることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、前記適応ノイズシェーピング変調は、ローパスフィルタと並列のバンドパスフィルタとして作用するループフィルタを備えるマルチレゾネータストラクチャであることを特徴とする方法。
【請求項１２】
ノイズシェーピング変調によりオーディオ信号をデジタル信号に変換する手段、所定のサンプリングレートで前記デジタル信号を圧縮デジタル信号に圧縮符号化する手段、及び前記圧縮デジタル信号を供給する手段を有する、オーディオ信号を処理する装置において、前記ノイズシェーピング変調が、少なくとも一つのパラメータに応じて適応することを特徴とする装置。
【請求項１３】
オーディオ信号を得るための入力ユニット、前記オーディオ信号を処理し処理されたオーディオ信号を得るための請求項１２に記載のオーディオ信号処理装置、及び前記処理されたオーディオ信号を出力するための出力ユニットを有するオーディオ信号を送信する又は記録する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノイズシェーピング変調（ｎｏｉｓｅ−ｓｈａｐｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によりオーディオ信号をデジタル信号に変換する工程、所定のサンプリングレートで前記デジタル信号を圧縮デジタル信号に圧縮符号化する工程、及び前記圧縮デジタル信号を供給する工程を有する、例えば記録又は送信のための、オーディオ信号の処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
国際特許出願公開第ＷＯ９８／１６０１４号は、オーディオ信号をデータ圧縮するためのデータ圧縮装置を開示している。このデータ圧縮装置は、オーディオ信号を受けるための入力端子、前記オーディオ信号をＡ／Ｄ変換しビットストリーム信号を得るための１ビットＡ／Ｄコンバータ、前記ビットストリーム信号に対しロスレスデータ圧縮工程を実行しデータ圧縮ビットストリーム信号を得るためのロスレスコーダ、及び前記データ圧縮ビットストリーム信号を供給するための出力端子を有する。更に、前記データ圧縮装置を有する記録装置及び送信装置が開示されている。また、前記データ圧縮装置により供給される前記データ圧縮ビットストリーム信号をデータ伸長するためのデータ伸長装置、並びに該データ伸長装置を有する再生装置及び受信装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、有利な圧縮を提供することにある。このため、本発明は、独立請求項に規定される信号処理方法及び装置並びに記録または送信のための装置を提供する。有利な実施例が、従属請求項に規定されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴によれば、ノイズシェーピング変調が、少なくとも一つのパラメータに応じて適応する。本発明は、ノイズシェーピング変調を適応させることにより、エンコーダの圧縮ゲイン（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｇａｉｎ）に影響を及ぼすことができると言う認識に基づく。これは、ノイズシェーピング変調の変化がオーディオ信号内の相関性に影響を及ぼすからである。より高い相関性がある信号を、より良く予測することができ、斯くして、より良く圧縮することができる。この本発明の特徴は、とりわけ、例えばスーパーオーディオＣＤ（ＳＡＣＤ）に記憶するためのダイレクトストリームデジタル（ＤＳＤ）信号の符号化等で用いられるロスレスエンコーダに有利である。
【０００５】
ノイズシェーピング変調において適応シグマデルタ変調を用いることにより、圧縮ゲインの増加を、ダイナミックレンジにおいて譲歩することにより得ることができる。ＳＡＣＤ記録媒体の莫大なダイナミックレンジは、例えば１０５ｄＢから９５ｄＢへのダイナミックレンジの低減は殆ど知覚できないであろうという意味において、それ程重要ではないようであると言うことをリスニングテストが実証した。とりわけ、高信号レベルにおいて、リスナーは、マスキング効果によりダイナミックレンジにおける僅かな低減を大抵感じないであろう。実験が、より低次のシグマデルタモジュレータを使用する及び／又はモジュレータの高周波ノイズにおけるストラクチャをクリエイトする等、シグマデルタモジュレータのストラクチャを、符号化アルゴリズムからより高い圧縮ゲインを供するように適応させる又は変更することが可能な幾つかのやり方が存在することを明らかにした。
【０００６】
本発明の有利な実施例においては、デジタル信号へのオーディオ信号の変換が、適応ノイズシェーピング変調（例えばシグマデルタ変調）が後続する該オーディオ信号のローパスフィルタリングを含む。これにより、ある程度ローパスフィルタリングに起因する帯域幅の制限により生じる信号品質の劣化を犠牲とするが、更なる圧縮ゲインの増加を得ることができる。
【０００７】
入力オーディオ信号は、アナログ信号として供給されるかもしれない。この場合、適応シグマデルタ変調は、ノイズシェーピング変調の一部として実施され、これにより、オーディオ信号は、ＤＳＤ信号フォーマットにより規定されるような１ビットビットストリーム信号等のデジタル信号に変換される。
【０００８】
他の例においては、オーディオ信号は、圧縮符号化のための所定のサンプリングレートの倍数のレートでアナログオーディオ信号をイニシャルオーバーサンプリングすることにより得られ得る１ビットビットストリーム信号等のデジタル信号として変換に供されるかもしれない。上述した好ましい実施例に関連して、この場合、ローパスフィルタリング及びノイズシェーピング変調が、所定のサンプリングレートへの１ビットビットストリーム信号のダウンサンプリングを含むことができる。即ち、４４．１ｋＨｚのサンプリング周波数の６４倍の所定のサンプリングレートを用いた場合、オーバーサンプリングは、該サンプリング周波数の２５６倍のレートで実施可能であろう。このサンプリングレベルにおいては如何なる信号処理も行うことができる。
【０００９】
以下、本発明を、添付の図面を参照して更に説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１の図においては、アナログ入力オーディオ信号が、ノイズシェーピングモジュレータ２を有するコンバータ１に供給される。コンバータ１からは、デジタル信号が、ロスレスエンコーダ３に供給される。モジュレータ２は、典型的には、ＤＳＤフォーマットの１ビットビットストリーム信号等のビットストリーム信号の形態でデジタル信号を供給するシグマデルタモジュレータとすることができる。
【００１１】
ロスレスエンコーダ３は、典型的には、フレーミングを組み込んだストラクチャを持つことができる。これにより、エンコーダ３に供給された入力信号は、該エンコーダが、例えば線形ＦＩＲフィルタ４による予測及びシグマデルタモジュレータ１の量子化エラーの擬似定常特性並びにオーディオ信号のショートターム擬似定常特性（ｓｈｏｒｔ−ｔｅｒｍ ｐｓｅｕｄｏ−ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を利用し、連続するソースサンプル間の依存性又は冗長性を、例えばハフマンのようなコーディングアルゴリズムを用いる可変長エントロピー符号化又は算術符号化の形態で実施され得るコーディングの前にできる限り除去することが可能である小部分に分けられる。
【００１２】
これにより、エンコーダ３は、圧縮デジタル信号を供給し、該圧縮デジタル信号は、図示のようにＳＡＣＤディスク等の記録担体への記録のために供給され得るが、例えば送信媒体を介した送信に用いられても良い。
【００１３】
図１に示される構成においては、エンコーダ２により供給される圧縮ロスレス符号化信号の圧縮ゲインが、本発明の一実施例によれば、パラメータＰに応じたシグマデルタモジュレータ１の適応又は変更（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）により高められる。以下の記載から明らかなように、本発明によれば、より低次のモジュレータを用いる又はモジュレータの高周波ノイズにおけるストラクチャをクリエイトする等、シグマデルタモジュレータのストラクチャの斯様な適応又は変更に対して幾つかの取り組みを用いることができる。
【００１４】
図２の他の実施例の構成においては、デジタルオーディオ入力信号が、ロスレスエンコーダ３に供給される前にコンバータ５に供給される。コンバータ５は、ローパスフィルタ６を含む。ローパスフィルタ６により、入力信号の帯域幅が、例えばＤＳＤフォーマットの帯域幅の仕様に準拠する１００ｋＨｚ、ましてや５０ｋＨｚに制限される。適応シグマデルタモジュレータ７が、ローパスフィルタ６に後続する。絶対に必要というわけではないが、ローパスフィルタ６も、好ましくは、オーディオ信号の少なくとも一つのパラメータに応じて適応される。このパラメータは、好ましくは、シグマデルタモジュレータ７の適応又は変更に用いられる信号パラメータと同一であろうが、異ならせることも可能である。簡単な実施例においては、ローパスフィルタ６が適応する場合、シグマデルタモジュレータは適応しないものとすることができる。
【００１５】
コンバータ５におけるローパスフィルタ６と適応シグマデルタモジュレータ７との組み合わせは、デジタル入力信号の再量子化に備えている。図２に示される信号処理装置は、圧縮ゲインの所望の増加を達成するために幾つかの連続する前処理ブロック５を有することができる。
【００１６】
コンバータ５におけるローパスフィルタ６は、例えば、７次ＩＩＲ Ｃｈｅｓｂｙｓｈｅｖ ｔｙｐｅ １フィルタとすることができ、概して、図２に示される１つ以上の前処理段により得られる圧縮ゲインの増加は、図１における構造に係る増加よりも高くなるであろう。しかしながら、その結果、帯域幅の制限に起因して幾らかの信号の品質劣化に至るかもしれない。
【００１７】
明らかに、図２に示される１つ以上のコンバータ５を、図１に示される構造においてモジュレータ１とエンコーダ２との間で用いることもできるであろう。
【００１８】
適応シグマデルタモジュレータ１または７は、図７におけるグラフィック表示に示されるように、３次モジュレータに関する３．７またはそれより高い値から、７次モジュレータに関する僅か２．３またはそれより低い値までの範囲にわたる圧縮ゲインを供するように３次、５次又は７次のものであっても良い。しかしながら、一般に、低次のモジュレータを用いる結果、オーディオ帯域におけるより低いダイナミックレンジに起因するオーディオ品質の劣化を招くであろうことが強調されるべきである。
【００１９】
本発明の一実施例によると、モジュレータ２におけるシグマデルタ変調は、当該適応又は変更が必要とされるロスレス符号化信号の部分に圧縮ゲインの増加を制限するためにオーディオ信号の少なくとも一つのパラメータＰに応じて適応又は変更される。これは、典型的には、エンコーダ３により供される圧縮が大抵低下する、高信号レベルにおいてであろう。図３に示されるように、これは、シグナルレベルディテクタ１０を組み込むフィードバックループ９により実現できるであろう。他の例においては、適応は、以下に更に説明されるように、図４に示される、エンコーダ３内の予測フィルタ４から得られるデータに応じる制御装置１１を有しても良く、または、図５に示される、シグナルパワーエクストラクタ（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ）及びコリレータ（ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）１２から得られる制御信号を有しても良い。
【００２０】
図６の図は、図１乃至図５の何れの構造で用いられる５次シグマデルタモジュレータの好ましい配列（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を示す。図示の配列は、マルチレゾネータストラクチャ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に基づく。このストラクチャにおいては、レゾネータＲ１、Ｒ２、．．．Ｒ５のフィードバックループにおける係数ｃ１、ｃ２、．．．ｃ５が、ループフィルタの極（即ちノイズ伝達関数の零点）を決定する。図示の配列は５次モジュレータに対するものであるが、同様の配列が、他のレゾネータストラクチャをただ加えることにより７次モジュレータに対して用いられても良い。
【００２１】
上述のように、図７は、１０ｋＨｚオーディオ正弦波信号に対する振幅ｓｗａの関数としての種々の次数のシグマデルタモジュレータに対する圧縮ゲインｃｇのグラフィック表示を示す。この図は、より低次のモジュレータに対して圧縮ゲインの増加を示しているが、これは、オーディオ帯域における量子化ノイズの増加を犠牲として得られるものである。
【００２２】
通常のモジュレータの設計においては、極は、通例、オーディオ帯域内に位置付けられるであろう。しかしながら、本発明の更なる実施例によれば、図８における５次シグマデルタモジュレータに対する極の位置ｐｐの関数としての種々の信号に対する圧縮ゲインのグラフィック表示に示されるように、少なくとも一つの極をオーディオ帯域外に位置付け、（それ以外の殆ど平坦な（−ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ ａｌｍｏｓｔ ｆｌａｔ−））シグマデルタスペクトルの高周波部分における付加的なストラクチャを作ることが好ましい。
【００２３】
シグマデルタモジュレータの標準的な設計においては、極は、典型的には、８．７、１５．７及び１９．５ｋＨｚに位置付けられるが、本発明によれば、最後の極が、好ましくは、２０ｋＨｚ領域からより高周波数にシフトされる。図から明らかなように、極を２００ｋＨｚ辺りに位置付けると、むしろ悪い圧縮ゲインを招く結果となるであろう。なぜなら、この極の位置は、当該モジュレータが殆ど不安定になるような、該モジュレータが５次の振る舞いから１次の振る舞いに変わるポイントに非常に近いからである。
【００２４】
他方、３００ｋＨｚ辺り又はより高くにこの極を位置付けると、圧縮ゲインの著しい増加に至るであろう。これは、適応されたモジュレータにとって全く許容できるであろうが、Ｓ／Ｎ特性の僅かな低減により果たされるであろう。なぜなら、余分なノイズが、人間の耳が殆ど感じない、周波数帯域の高域側に導入されるからである。
【００２５】
２０ｋＨｚ領域からより高周波数に向けた極の位置のシフトは、別個の特別のバンドパスフィルタを既存のモジュレータストラクチャに、例えばローパスループフィルタと並列に付加することにより行うことができる。斯様な並列フィルタのために２次バターワースバンドパスフィルタ（２ｎｄ ｏｒｄｅｒ Ｂｕｔｔｅｒ−ｗｏｒｔｈ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）を用いることにより、既存のモジュレータが広範な入力に対して安定したままであり、且つオーディオ帯域におけるＳ／Ｎ特性が変更されていないモジュレータに対して実質的に変わらないままで、圧縮ゲインの著しい増加を実現することができる。
【００２６】
本発明によれば、前処理装置における適応シグマデルタモジュレータ及び／又は適応ローパスフィルタの適応に対する図５に示される更なる取り組みは、ＳＡＣＤディスク等の記録媒体に記憶され得るデータ量の評価を提供し、斯様な評価をシグマデルタモジュレータ及び／又はローパスフィルタの適応制御に用いることである。
【００２７】
理論的には、斯様な評価を提供するために、例えば録音する音楽の無作為に選択されるサブセットに対してのみ圧縮ゲインを決定し、この評価を１曲全体に対する平均ゲインを表すものとして用いることを選べるであろう。
【００２８】
しかしながら、典型的な楽曲は著しく短時間の相関性を持つ非常に幅の広いゲインを持つと言う事実を鑑みて、楽曲の非常に微少な部分が、所要の精度でこの取り組みによる評価を得るために用いられる必要があるであろう。斯様な処理に必然的に必要とされるであろう演算の量に起因して、この取り組みは、許容可能な解決策と見なせないであろう。
【００２９】
本発明によれば、ＤＳＤフォーマットにおけるビットストリーム信号のシグナルパワーと圧縮ゲインとの間の相関性が、所望の評価を提供するために用いられる。
【００３０】
例えば２０ｋＨｚまでのオーディオ信号帯域自体において、相関性は、シグナルパワーの関数としての圧縮ゲインに対する非常に平坦な応答曲線に起因して非常に弱いことが調査により実証されたが、図９のグラフィック表示において図示されるように非常に急峻な応答曲線に起因する完全に使用可能な相関性を、通常の可聴範囲を丁度超えた周波数帯域に、例えば、２０ｋＨｚから５０ｋＨｚにシフトすることにより確認することができる。事前の限定的な実験が、このようにして、１％以内の精度を持つ評価を得ることができることを明らかにした。
【００３１】
上述の実施例は、本発明を限定するものではなく例示するものであり、当業者が、付随する請求項の範囲から逸脱することなく多くの他の実施例を目論むことができるであろうことに留意されたい。請求項においては、括弧内の如何なる参照符号も、請求項を限定するものとして構成されるものではない。“有する”なる語は、請求項に列挙されたもの以外の部品又は工程の存在を排除するものではない。本発明は、幾つかの個別部品を有するハードウェアにより及び適宜にプログラムされたコンピュータにより実現され得る。幾つかの手段を列挙する装置請求項においては、これらの手段の幾つかを、同一のハードウェアのアイテムにより実施することができる。ある対策が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これらの対策の組み合わせの利点を享受できるように用いることができないことを示すものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による信号処理装置の一実施例の簡略化された概略ブロック図である。
【図２】本発明による信号処理装置の他の実施例の簡略化された概略ブロック図である。
【図３】オーディオ信号のパラメータに応じてシグマデルタ変調及び／又はローパスフィルタリングを実現する１つのやり方を示す図である。
【図４】オーディオ信号のパラメータに応じてシグマデルタ変調及び／又はローパスフィルタリングを実現する別のやり方を示す図である。
【図５】オーディオ信号のパラメータに応じてシグマデルタ変調及び／又はローパスフィルタリングを実現する更に別のやり方を示す図である。
【図６】図１及び図２の何れの構造で用いられる５次シグマデルタモジュレータの簡略化された配列図である。
【図７】種々の次数のシグマデルタモジュレータに対する圧縮ゲインのグラフィック表示である。
【図８】シグマデルタモジュレータに高周波数域における特別の極を加えた効果のグラフィック表示である。
【図９】オーディオ信号の選択された周波数帯域における圧縮ゲインとシグナルパワーとの間の関係のグラフィック表示である。
【国際公開パンフレット】
2004508755.tif 000003
2004508755.tif 000004
2004508755.tif 000005
2004508755.tif 000006
2004508755.tif 000007
2004508755.tif 000008
2004508755.tif 000009
2004508755.tif 000010
2004508755.tif 000011
2004508755.tif 000012
2004508755.tif 000013
2004508755.tif 000014
2004508755.tif 000015
2004508755.tif 000016
【国際調査報告】
2004508755.tif 000017
2004508755.tif 000018
2004508755.tif 000019
2004508755.tif 000020