(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声入力信号が外部から入力される減算手段と、
前記減算手段の出力を符号化する符号化手段と、
前記符号化手段の出力を復号化する復号化手段と、
前記復号化手段の出力が入力される加算手段と、
前記加算手段の出力を発振させ、遅延させた後に出力する発振遅延手段と、
を有し、
前記発振遅延手段の出力が前記減算手段及び前記加算手段に入力され、
前記減算手段は、前記音声入力信号から前記発振遅延手段の出力を減算し、
前記加算手段は、前記復号化手段の出力に前記発振遅延手段の出力を加算し、
前記符号化手段の出力が音声圧縮信号として外部に出力されることを特徴とする音声圧縮装置。
【請求項２】
前記減算手段は、
前記音声入力信号が入力される第２の減算手段と、
前記第２の減算手段の出力及び前記発振遅延手段の出力が入力される第１の減算手段と、
を有し、
前記加算手段は、
前記復号化手段の出力及び前記発振遅延手段の出力が入力される第１の加算手段と、
前記第１の加算手段の出力が入力される第２の加算手段と、
を有し、
前記発振遅延手段は、前記第１の加算手段の出力を発振させ、遅延させた後に出力し、  更に、前記第２の加算手段の出力を遅延させる遅延手段を有し、
前記遅延手段の出力が前記第２の減算手段及び前記第２の加算手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載の音声圧縮装置。
【請求項３】
更に、前記音声入力信号の周波数を解析する信号解析手段と、
前記信号解析手段による解析の結果に基づき、前記発振遅延手段の出力の周波数を、前記音声入力信号の周波数に合致するように設定する周波数設定手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の音声圧縮装置。
【請求項４】
コンピュータを、
音声入力信号が外部から入力される減算手段と、
前記減算手段の出力を符号化する符号化手段と、
前記符号化手段の出力を復号化する復号化手段と、
前記復号化手段の出力が入力される加算手段と、
前記加算手段の出力を発振させ、遅延させた後に出力する発振遅延手段と、
して機能させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記発振遅延手段の出力が前記減算手段及び前記加算手段に入力され、
前記減算手段は、前記音声入力信号から前記発振遅延手段の出力を減算し、
前記加算手段は、前記復号化手段の出力に前記発振遅延手段の出力を加算し、
前記符号化手段の出力が音声圧縮信号として外部に出力されることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項５】
前記減算手段は、
前記音声入力信号が入力される第２の減算手段と、
前記第２の減算手段の出力及び前記発振遅延手段の出力が入力される第１の減算手段と、
を有し、
前記加算手段は、
前記復号化手段の出力及び前記発振遅延手段の出力が入力される第１の加算手段と、
前記第１の加算手段の出力が入力される第２の加算手段と、
を有し、
前記発振遅延手段は、前記第１の加算手段の出力を発振させ、遅延させた後に出力し、
前記プログラムは、前記コンピュータを、更に、前記第２の加算手段の出力を遅延させる遅延手段として機能させ、
前記遅延手段の出力が前記第２の減算手段及び前記第２の加算手段に入力されることを特徴とする請求項４に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項６】
前記プログラムは、前記コンピュータを、更に、
前記音声入力信号の周波数を解析する信号解析手段と、
前記信号解析手段による解析の結果に基づき、前記発振遅延手段の出力の周波数を、前記音声入力信号の周波数に合致するように設定する周波数設定手段と、
して機能させることを特徴とする請求項４又は５に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音声圧縮装置および記録媒体に関し、特に、音声圧縮方式として予測を伴う符号化を採用した装置に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音声信号を伝送したり蓄積したりする場合に、伝送データ量の削減や、蓄積メディア（メモリ、テープ、ディスク等）への保存可能時間の長時間化を目的として、図５に示すように音声の圧縮、伸長が行われている。図５において、音声圧縮装置５１にて入力音声から生成された音声圧縮信号が、図示しない伝送路を介して伝送されたり、図示しない蓄積メディアに蓄積されたりする。その後、必要に応じて音声伸長装置５２にて伸長され、再生音声として出力される。
【０００３】
一般に、デジタルデータを圧縮する場合、大きく分けて、可逆圧縮方式と不可逆圧縮方式との２種類がある。可逆圧縮方式は、文書データ等に対して用いられることが多く、一般に圧縮率は低い。一方、不可逆圧縮方式は、画像信号やＰＣＭ音声信号に対して用いられることが多く、可逆圧縮方式に対して高い圧縮率を達成できる。
【０００４】
また、画像信号やＰＣＭ音声信号の圧縮においては、ＤＣＴ（Discreat-Cosine-Transform ）やＱＭＦ（Quadrature-Mirror-Filterbank）等の時間軸−周波数軸の変換フィルタを用いて元のデータを加工した後に信号圧縮する手法が用いられる。これは、元の信号を“少数の大きな値と多数の小さな値”の信号に変換して圧縮する手法である。このような手法を採用するのは、データを圧縮する場合に“中くらいの値のみ”よりも“少数の大きな値と多数の小さな値”の方が信号の劣化を押さえて圧縮することができるからである。
【０００５】
音声信号の圧縮方式として電話回線で良く用いられるＡＤＰＣＭ（勧告Ｇ．７２１）のＤＰＣＭ（Differential Pulse Code Modulation）の部分も、この点を意図して使用している。なお、このＤＰＣＭによる圧縮方式は、波形をサンプリングするとき隣り合うサンプル値の差分を符号化する方式である。
【０００６】
例えばＰＨＳのような電話回線を考えた場合、図５の音声圧縮装置５１は送信側のＰＨＳ端末内にあり、音声伸長装置５２は受信側のＰＨＳ端末内にある。そして、送信側の音声圧縮装置５１で入力音声から生成された音声圧縮信号は、電話回線を通して伝送され、受信側の音声伸長装置５２で伸長され、再生音声として出力される。この例では音声圧縮装置５１と音声伸長装置５２とが別の端末に備えられているが、同一筐体内に備えられる場合もある。
【０００７】
例えば、ＤＲＡＭ等のメモリや磁気テープ、あるいはディスク等の記録媒体に音声信号を圧縮して記憶し、それを必要に応じて伸長して再生する機能を備えた音声再生装置あるいは音声記録再生装置等では、音声圧縮装置５１と音声伸長装置５２とが同じ筐体内に備えられる。この場合にも音声圧縮方式として、上述のＤＰＣＭやＡＤＰＣＭによる圧縮方式を採用することが可能である。
【０００８】
図６は、ＤＰＣＭを採用した従来の音声圧縮装置の構成を示す図である。図６において、各サンプルポイントのＰＣＭ音声信号PCM[j]は差分回路６１に順次入力され、下記の式(1) に従って隣り合うサンプル値の差分が計算される。
DPCM[j] = PCM[j] - PCM'[j-1]……(1)
【０００９】
この式(1) において、ｊはサンプルポイントの番号を表す値、DPCM[]は隣り合うサンプル値の差分値、PCM[] はＰＣＭ音声信号のサンプル値、PCM'[]はＰＣＭ音声信号を一度圧縮してから伸長して元に戻した値である。音声圧縮装置で音声信号を圧縮した後に、音声伸長装置で元の波形と近い波形を再生するためには、PCM[j-1]ではなくこのPCM'[j-1] のような値を使って差分式(1) を使用しなければならない。
【００１０】
上記差分回路６１で計算された差分値DPCM[j] は、正規化・量子化装置６２で圧縮され、音声圧縮信号code[j] として出力される。この音声圧縮信号code[j] は、逆正規化・逆量子化装置６３にも与えられ、上記正規化・量子化装置６２による処理とは逆の処理を行うことによって差分値DPCM'[j]が生成される。この差分値DPCM'[j]は、逆差分回路６４に与えられ、下記の式(2) に従って上記差分回路６１とは逆の処理が行われる。
PCM'[j] = PCM'[j-1] + DPCM'[j]……(2)
【００１１】
ここで求められたＰＣＭ音声信号のサンプル値PCM'[j] は、正規化・量子化装置６２で発生した量子化誤差を含む値であり、遅延バッファ６５により一定時間だけ遅延された後、差分回路６１および逆差分回路６４に供給される。上述したように、このような量子化誤差を含んだサンプル値PCM'[j] を差分式(1) に用いることにより、実際に入力された音声の波形と極めて近い波形の音声を音声伸長装置で再生することが可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、例えば図６に示す従来の音声圧縮装置では、入力されるＰＣＭ音声信号のサンプル値を隣り合うサンプル値から予測して差分をとった上で圧縮を行っている。このようにして圧縮された音声信号を音声伸長装置で伸長して再生する際に、再生音声の音質を上げる（元の入力音声信号にできるだけ近づける）ためには、予測している値が正しい値に非常に近い値であること、つまり差分値ができるだけ小さくなることが望まれる。
【００１３】
本発明はこのような実情に鑑みて成されたものであり、予測を伴う音声圧縮方式において予測の精度を上げることにより、伸長側で良好なＳ／Ｎ比の再生音声を得ることができるようにすることを目的とする。
また、本発明は、このような再生音声の音質の向上を特定の入力音声信号に対してだけでなく、様々な入力音声信号に対して実現できるようにすることをも目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る音声圧縮装置は、音声入力信号が外部から入力される減算手段と、前記減算手段の出力を符号化する符号化手段と、前記符号化手段の出力を復号化する復号化手段と、前記復号化手段の出力が入力される加算手段と、前記加算手段の出力を発振させ、遅延させた後に出力する発振遅延手段と、を有し、前記発振遅延手段の出力が前記減算手段及び前記加算手段に入力され、前記減算手段は、前記音声入力信号から前記発振遅延手段の出力を減算し、前記加算手段は、前記復号化手段の出力に前記発振遅延手段の出力を加算し、前記符号化手段の出力が音声圧縮信号として外部に出力されることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータを、音声入力信号が外部から入力される減算手段と、前記減算手段の出力を符号化する符号化手段と、前記符号化手段の出力を復号化する復号化手段と、前記復号化手段の出力が入力される加算手段と、前記加算手段の出力を発振させ、遅延させた後に出力する発振遅延手段と、して機能させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記発振遅延手段の出力が前記減算手段及び前記加算手段に入力され、前記減算手段は、前記音声入力信号から前記発振遅延手段の出力を減算し、前記加算手段は、前記復号化手段の出力に前記発振遅延手段の出力を加算し、前記符号化手段の出力が音声圧縮信号として外部に出力されることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る音声圧縮装置の構成例を示す図であり、以下、この図１に従って第１の実施形態を説明するが、その前に本発明の原理について説明しておく。
【００１９】
一般に、自然界にある実際の様々な音声は、例えばピアノの弦の振動が空気に伝わってピアノ音が発生したり、声帯の振動が空気に伝わって人間の声として発生したりするといったように、物が振動しているときに発生するものである。すなわち、実音声は何らかの発振現象に基づいて発生されると言える。
【００２０】
そこで本発明は、音声圧縮装置内で信号値を予測をする部分に発振器もしくはそれと類似する機能を持つ機能ブロック（入力信号に対して振動的な応答を出力するブロック）を設け、発振現象に基づき発生される音声の値を当該発振器等を用いて予測することにより、予測の精度を高めようとするものである。例えば図１の構成では、発振器５を用いている。
【００２１】
図１において、１は減算器であり、入力されるＰＣＭ音声信号V[i]の波形をサンプリングするときに連続するサンプル値の差分を計算する。本実施形態の減算器１で使用する差分式は、例えば次の式(3) である。
D[i]＝V[i]−O[i-1]……(3)
ここで、ｉはサンプルポイントの番号を表す値、D[] は隣り合うサンプル値の減算値、O[] はＰＣＭ音声信号を一度圧縮してから伸長して元に戻した後、発振器５により振動的な応答を返す関数をかけた値の実数部に相当する値である。
【００２２】
上記発振器５では、以下の式(4) に示すような計算を行う。
O[i]＝V[i]*cosθ−P[i-1]*sinθ
P[i]＝V[i]*sinθ＋P[i-1]*cosθ  ……(4)
この式(4) は、(O[i],P[i]), (V[i],P[i-1])の各組をそれぞれ複素数の実数部、虚数部の組とみなして、複素ベクトル(V[i],P[i-1]) を角度θだけ回転させた結果が複素ベクトル(O[i],P[i]) であるということを示す式である。
【００２３】
上記式(4) に従って一回の処理で角度θだけベクトルを回転させると、ベクトルの動きには周期性が生じ、これを２π／θ回だけ処理するとベクトルは１回転する。これは、ある一定周期の発振器を構成したことと等価である。つまり、図１の発振器５は、入力信号に対してある一定の周期性を有する関数をかけることによって振動的な応答を出力するものであると言える。
【００２４】
なお、上記の式(4) では、 sinθ、 cosθを用いた表現としたが、この関数は近似計算した値であってもほぼ同様の効果を得ることができる。近似の方式としては、テイラー展開や多角形近似等がある。
【００２５】
次いで、２は符号化器であり、上記減算器１で計算された減算値D[i]に対して符号化を行い、音声圧縮信号C[i]を生成する。このようにして、例えば１６ビットの入力ＰＣＭ音声信号V[i]から、例えば７ビットの音声圧縮信号C[i]を生成することが可能である。生成された音声圧縮信号C[i]は、音声圧縮装置の外部に出力され、伝送路を介して伝送されたり、蓄積メディアに蓄積されたりする。
【００２６】
ここで、上記符号化器２に入力される減算値D[i]は、それを生成する式(3) から小さな値になることが期待されている。すなわち、音声信号の一般的特性として、周波数が低くなるほど信号圧が高くなるという性質があるため、差分式(3) を使用して圧縮することにより、その結果は、元のＰＣＭ音声信号よりも絶対値が小さな値となることが期待できる。
【００２７】
さらに、上記の式(3) では、発振器５によって振動的な要素が加えられた信号を利用している。ここでは特に、発振器５は周波数が２π／ｄθのサイン波的特性を持つ複素演算を行っているので、実際に、入力音声V[i]としてサイン波的な信号を入力すると、安定後の差分の期待値は極めて小さな値となる。この場合は、データ圧縮時の損失が少なく、伸長側での再生音声の品質が向上することが期待される。
【００２８】
なお、音声圧縮信号C[i]は圧縮後の値であるので、一定のビット数であることが望ましいが、減算値D[i]の値が大きい場合は正確な値を表現することはできない。ＭＰＥＧやＪＰＥＧ、ＡＤＰＣＭ等では、そのような値を表現する場合に計算機における浮動小数点に類似した方式を適用する。つまり、
C[i]＝D[i]*2exp 
と表現することで、おおよその値をC[i]で表現する。
【００２９】
上記の式でexp の部分は、固定の定数を利用したり、以前の音声圧縮信号C[i]から予測したり、複数の音声圧縮信号C[i]について同じ値を使用することにして伝送したりする。また、減算値D[i]は逆の処理になるので、
D[i]＝C[i]*2-exp
である。
【００３０】
この符号化器２で生成された音声圧縮信号C[i]は、上述したように外部に出力されるだけでなく、復号化器３にも与えられる。復号化器３は、上記符号化器２による処理とは逆の処理を行うことによって減算値D'[i] を生成するものである。４は加算器であり、以下に示す式(5) に従って上記減算器１とは逆の処理を行うことにより、元のＰＣＭ音声信号V[i]に近いサンプル値V'[i] を生成する。
V'[i] ＝O[i-1]＋D'[i] ……(5)
【００３１】
この加算器４によって求められたＰＣＭ音声信号V'[i] は、発振器５により上記した式(4) に従って振動的な応答を返す関数がかけられる。発振器５はディレイ回路も含んでおり、複素演算により得られる複素ベクトルの実数部に相当する値O[i]は、一定時間だけ遅延された後、減算器１および加算器４に供給される。また、虚数部に相当する値P[i]は、一定時間だけ遅延された後、再び発振器５で利用される。
【００３２】
このようにして、符号化器２における圧縮時の量子化誤差を含み、しかも実際の音声と同様に振動的な影響を受けたサンプル値O[i]を減算器１での減算式および加算器４での加算式に用いることにより、発振器５を用いない場合に比べて、安定後の差分の期待値が極めて小さな値となる。よって、サイン波的な振動現象から発生している音声に関しては極めて良好な予測を行うことができ、再生音声のＳ／Ｎ比が向上する。つまり、実際に入力された音声の波形とより近い波形の音声を図示しない音声伸長装置で再生することが可能となる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、第２の実施形態による音声圧縮装置の構成例を示す図である。この図２に示す第２の実施形態は、第１の実施形態を示す図１の構成に対して第２の減算器２２と第２の加算器２４とを追加するとともに、これに伴って必要なディレイを追加したものである（図２に示す第１の減算器２１と第１の加算器２３は、図１に示した減算器１と加算器４と同機能のものである）。
【００３４】
本実施形態では、入力されるＰＣＭ音声信号V[i]に対して、まず第２の減算器２２で以下の式(6) に従って減算値F[i]を計算し、
F[i]＝V[i]−V'[i-1] ……(6)
更に第１の減算器２１で以下の式(7) に従って減算値D[i]を計算する。
D[i]＝F[i]−L[i-1]……(7)
この式(7) は、式(6) を代入して以下の式(8) のように書き換えられる。
D[i]＝V[i]−V'[i-1] −L[i-1]……(8)
【００３５】
ここで、V'[]は入力されたＰＣＭ音声信号V[] を一度圧縮してから伸長して元に戻した値、L[] は式(4) 中のO[] と同様にＰＣＭ音声信号V[] を一度圧縮してから伸長して元に戻した後、発振器５により以下の式(9) に従って振動的な応答を返す関数をかけた値の実数部に相当する値である。
L[i]＝F'[i]* cosθ−P[i-1]*sinθ
P[i]＝F'[i]* sinθ＋P[i-1]*cosθ  ……(9)
【００３６】
また、第１の加算器２３および第２の加算器２４では、上述した第１の減算器２１および第２の減算器２２とは逆の処理を行う。すなわち、まず第１の減算器２３で以下の式(10)に従って減算値F'[i] を計算し、
F'[i] ＝L[i-1]＋D'[i] ……(10)
更に第２の減算器２４で以下の式(11)に従って元のＰＣＭ音声信号V[i]に近いサンプル値V'[i] を生成する。
V'[i] ＝V[i-1]＋F'[i] ……(11)
この式(11)は、式(10)を代入して以下の式(12)のように書き換えられる。
V'[i] ＝V[i-1]＋L[i-1]＋D'[i] ……(12)
【００３７】
このような演算を実現するため、上記第１の加算器２３での加算結果F'[i] を第２の加算器２４と発振器５に供給するとともに、発振器５での計算結果のうち実数部に相当する値L[i]を、所定時間だけ遅延した後第１の加算器２３と第１の減算器２１とに供給する。また、第２の加算器２４での加算結果V'[i] は、本実施形態で新たに設けたディレイ回路２５で一定時間だけ遅延させた後、第２の減算器２２と第２の加算器２４とにフィードバックする。
【００３８】
図２に示すブロック図のように音声圧縮装置を構成した場合、すなわち、式(8),(12)のような加減算を行うように構成した場合、横軸に音声信号の周波数をとり、縦軸に減算式(8) で得られる差分絶対値の平均をとると、その特性は、低い周波数域のところでアンダーピークを有するような形状となる。つまり、第２の減算器２２、第２の加算器２４の作用により、特に音声成分の低周波数部分の値が小さな値となる。
【００３９】
これにより、低周波成分における差分の期待値が極めて小さくなり、音声圧縮時に予測しなければならない部分の負荷を軽くすることができる。よって、発振器５は高周波数成分への対応に注力することができ、含まれる多様な周波数成分のうち、低い周波数にそのピークを持つことの多い自然音声、音楽、人の会話等で良好な（Ｓ／Ｎ比の良い）再生音声を得ることができる。したがって、入力音声がきれいなサイン波以外の場合でも対応可能である。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
上述した第１、第２の実施形態は、発振器５がサイン波的な振動現象を実現するものであるため、入力される音声信号がサイン波的な波形を持つ場合に特に有効である。これに対して以下に述べる第３の実施形態は、より複雑な波形を持つ入力音声信号にも有効な手法を提供するものである。
【００４１】
すなわち、入力される音声信号が単一サイン波の場合、上述した発振器５の式に対してなんら手を加えなくても支障は生じない。しかし、自然音声の場合、音声自身には周期性が認められることが多いものの、通常は基本波に対して複数の高調波を加算した波形であることが一般である。
【００４２】
この場合、例えば上述した式(4) を使用した場合、実数部O[i]については１サンプル前の虚数部P[i-1]で誤差分が修正されるものの、虚数部P[i]については単一サイン波でないための誤差が蓄積し、極めて大きな絶対値となることがある。この場合は、減算値D[i]が大きな値をとることになり、再生音声のＳ／Ｎ比が劣化する結果となってしまう。この現象が発生するのは、θが小さな値である場合に多い。
【００４３】
この対策として、発振器５で虚数部P[i]を計算する式を次のように変更することで対処できる。
P[i]＝V[i]*sinθ＋P[i-1]*cosθ*gain   (0.0<gain<1.0)
この式は、虚数部分にゲインをかけるようにしたものである。このように虚数部分にゲインをかけることにより、１回のサンプル処理ごとに計算される虚数ベクトルの方向が各処理ごとにばらつくのを抑制することができ、複数の高調波が重なった音声に対しても良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００４４】
gainの値については、あまり小さな値を設定すると発振器として成り立たなくなるし、あまり大きな値を設定すると誤差蓄積への対処効果が薄くなるため、適度に大きな値（例えば、サンプリングレートが４４．１ｋＨｚのＣＤ音声の場合は、おおよそ0.9 〜0.995 の範囲内の値）を設定することが望ましい。なお、このgainの値は固定でも良いが、入力音声に応じて可変とするように構成しても良い。ただし、この場合は設定したgainの値を伸長側に伝送したり、gainの値そのものを予測するための構成が必要となる。
【００４５】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
上記図１、図２に示した音声圧縮装置では、θの値で決定される発振器５の発振周波数と入力音声の周波数とが合致した場合にＳ／Ｎ比の良い再生音声が得られる。したがって、入力音声がある程度決まっている場合は、固定のθを用いても良好な音声圧縮方式となる。しかし、入力音声が不特定の場合、θを固定すると入力音声によっては良好な音声圧縮方式でなくなる場合がある。
【００４６】
そこで、第４の実施形態では、θの値を可変とする、つまり発振周波数を設定可能なように発振器を構成することにより、様々な音声が入力された場合でも良好な音声圧縮方式とできるようにする。発振器の発振周波数を決めるθの値は、装置外部から手動で設定する方式や、入力音声信号を解析して決定する方式が考えられる。図３は、この第４の実施形態による音声圧縮装置の構成例を示す図である。
【００４７】
図３に示すように、本実施形態においては、発振器３５の発振周波数を決めるθの値は、装置外部から手動で設定することができるとともに、入力されたＰＣＭ音声信号V[i]を解析し、その解析結果に基づいて設定することができるようになっている。装置外部から設定する場合は、入力予定の音声に合わせて操作者がボリューム等のつまみを調整することにより、θの値を設定する。
【００４８】
以下に、入力音声を解析してθの値を決定する場合のθの算出アルゴリズムについて詳しく説明する。
図３に示す音声圧縮装置に単一サイン波のＰＣＭ音声信号を入力した場合の、減算器１における減算値D[j]の値や評価に用いる値を、図４に示す。
【００４９】
図４において、入力音声の波形がPCM[j]のように表される場合、入力波形に対してθの値が小さいと、その入力波形に対して減算値D[j]は、＃１のような波形となる。一方、θの値が大きいと、入力波形に対して減算値D[j]は、＃２のような波形となる。なお、ここでは＃１と＃２の波形の高さは、イメージ図とするために同じ大きさにそろえてあるが、設定されているθにより決定される発振周波数と入力音声の周波数との差の大きさに応じて、その高さは変化する。
【００５０】
すなわち、＃１の場合にθの値をある程度大きく設定すると、期待値として点線のような波形となり、＃２の場合にθの値をある程度小さく設定すると、点線のような波形となることが期待できる。つまり、図４に＃１、＃２の実線で示した状態は、θの値として両極端の値が設定された状態（＃１はθが最小の場合、＃２はθが最大の場合）を示しており、例えば＃１の場合にθを徐々に大きくしていくと、最終的には＃２のような状態となることを示している。
【００５１】
また、PCM[j]の連続する２つのサンプル値の差分値PCM[j]-PCM[j-1] は、図４の上から２段目に示す通りの波形となる（PCM[j]がコサイン関数の場合、その微分値はサイン関数となり、図に示す波形になる）。なお、この関係は数学的にも証明可能であるが、ここではその証明および説明は省略する。
【００５２】
図３に示す構成から明らかなように、上述した減算値D[j]（＃１, ＃２) と差分値PCM[j]-PCM[j-1] とは同一の関数であり、入力ＰＣＭ音声信号の周波数とθの値により決定される発振器３５の発振周波数との違いにより、減算値D[j]の波形は、＃１または＃２の形状となる。本実施形態では、この減算値D[j]の波形の位相を判断材料にすることで、望ましいθの値が現在の設定値よりも大きいか、もしくは小さいかを予測し、新たな値を設定する。
【００５３】
すなわち、上述したように、良好な予測をして優れたＳ／Ｎ比の再生音声を得るためには、減算器１の出力である差分の期待値はできるだけ小さな値となることが望ましい。これを図４の例に従って言えば、減算値D[j]の波形がまっ平らになる（＃１と＃２のちょうど中間の波形）ことが望ましい。したがって、得られた減算値D[j]の波形が＃１の場合にはθの値をより大きく設定し、＃２の場合にはθの値をより小さく設定するようにする。
【００５４】
以上のアルゴリズムは、例えば図３に示すような構成によって実現される。図３において、差分回路３０は、入力されたＰＣＭ音声信号V[i]と、加算器４からの出力をディレイ回路３１で一定時間遅延させた信号V'[i-1] との差分をとる。この差分回路３０での計算結果は、図４に示した差分値PCM[j]-PCM[j-1] に相当するものであり、信号解析部３２に与えられる。
【００５５】
信号解析部３２は、この差分回路３０より与えられる差分値V[i]-V'[i-1]と、減算器１より与えられる減算値D[i]（図４の減算値D[j]に相当）との位相を比較し、望ましいθの値が現在の設定値よりも大きいか、小さいかを予測する。すなわち、図４に示したように、減算値D[j]が＃１のような波形の場合は差分値PCM[j]-PCM[j-1] と符号が合っており、＃２のような波形の場合は符号が合っていないので、符号が合致しているかどうかを判定することによって減算値D[j]の波形が＃１と＃２のどちらであるかを解析する。
【００５６】
減算値D[j]の波形が＃１であればθの値をより大きくすれば良いし、＃２であればθの値をより小さくすれば良いということが分かる。そこでθ設定部３３は、上記信号解析部３２により解析された結果に基づいて、θの値として現在の設定値よりも大きい値あるいは小さい値を発振部３４に設定する。
【００５７】
ここまで、単一サイン波の音声信号を入力した場合について述べたが、入力する音声信号が自然音声等であったとしても、このアルゴリズムを利用することは可能である。ただし、入力信号が自然音声の場合、高調波を含んだ波形であるため、位相関係は上述したきれいな関係からやや逸脱する。その場合に上記の関係を使用するためには、例えば、ある程度の区間内における平均的な位相の傾向を用いて、その結果を利用することができる。
【００５８】
以上のように、入力ＰＣＭ音声信号に応じてθの値の変更する場合、その変更内容を音声圧縮装置から音声伸長装置に伝送する必要があり、信号圧縮後の情報はこの値を含めたものとなる。そのため、θの値を頻繁に変更することは、圧縮率の低下につながる。したがって、θの値の変更は、一定間隔・不定間隔の何れを適用しても良いが、その間隔はある程度広いことが望ましい。
【００５９】
また、θの値を変更する場合に、急激な変更を加えると、減算値D[i]の値が、その変更を行った点で大きな値となり、再生音声にインパルスノイズが乗ることがある。これに対して、ゆっくりとθの値を変更することで、インパルスノイズの発生を抑制できる。
【００６０】
例えば、入力音声のサンプリングレートが４０ｋＨｚ程度の場合、θの範囲を０〜πとすると、θの刻み幅を５００〜４０００程度に設定し、その刻み幅の変更を、２０〜１００程度のＰＣＭ区間で直線補間してやってゆっくり行うと、刻み幅どおりに変更した場合に発生するノイズを抑制することができる。
【００６１】
以上の内容を含む解析手順を以下にまとめて示す。
まず解析方法について述べる。θの分解能は、表現範囲を０〜πとして、５００〜４０００程度の分解能とする。また、解析結果の反映（θの変更）については、ある程度の間隔をもって変更し（２０〜１００程度）、変更はなだらかに、ゆっくりと変更する。
【００６２】
次に解析手法について述べる。
▲１▼解析結果を蓄積するカウンタを用意する（RegA）。
▲２▼カウンタRegAに、以下の表１に示す符号の値を加算する。値の大きさは、PCM[j]-PCM[j-1] 、D[j]の絶対値に比例して大きくなる値（一方もしくは双方の積）を用いる。
▲３▼評価時に、カウンタRegAの値が正の場合はθの値を大きくするべきであり、負の場合は小さくすべきである。
【００６３】
【表１】
0004173218.tif 000002
【００６４】
次にカウンタRegAの評価方法について述べる。評価時のθの変更量は、カウンタRegAの値に比例した値とすることができる（比例させなくても構わない）。θの値を変更する場合に、カウンタRegAの値に対しスレッショルドレベルを設定することで、変更感度を調節できる。入力される信号が音声である場合、高い感度を持つことはあまり好ましくなく、低い感度に設定することは、動作の安定に有効である。
【００６５】
変更感度を落とし、一定間隔ごとにカウンタRegAの値を評価する場合、カウンタRegAの値を評価ごとにリセットすると、本来の望ましいθの値に達することができなくなることがある。したがって、ゆっくりとで良いから、最も望ましいθの値とするためには、評価時にθの値を変更しない場合にはカウンタRegAの値をクリアしないようにするとよい。
【００６６】
なお、図３の例では、音声圧縮装置の発振器３５においてθの値の変更を行っていたが、θの値の解析器と音声圧縮装置とを別途設置して動作させる方式も考えられる。つまり、図３に示す装置と図２に示す装置とを同時に動作させ、図３の装置の発振器３５を解析手段として、図２の装置を音声圧縮装置として動作させる方式である。
【００６７】
この方式を使用する利点は以下の通りである。通常音声に対する圧縮手段としては、図３（図１）に示す方式よりも図２に示す方式の方が望ましいが、低周波帯域の音声が入力された場合は、図２の発振器５に十分な入力がなく、発振器５の発振周波数の変更が速やかに行われない欠点が考えられる。しかし、ここに示した方式を採用することで、その欠点をカバーすることができる。
【００６８】
ところで、一般に入力信号の解析手段としてＤＦＴ（ＦＦＴ）等が知られている。このＤＦＴ（ＦＦＴ）等を周波数解析手段として使用した場合、その結果として、入力音声信号の各周波数における信号音圧がその解として得られる。この圧縮方式に使用する場合、解の最も高い点（ピーク）にθの値を合致させると良いので、手順としては以下のようになる。まず、入力音声信号に対してＤＦＴ（ＦＦＴ）の処理を適用する。そして、その周波数解析の結果得られる周波数のピーク点をサーチし、θの値をそのピーク点に合わせる。
【００６９】
ただし、ＤＦＴ（ＦＦＴ）は、その処理に大量の演算とメモリとを使用する。ＤＦＴの分解能は最低でも演算長に比例した分必要であり、分解能はθの刻み幅と同程度とする必要がある。したがって、θの刻み幅を1000程度とした場合、最低でも1000ワード分のメモリが必要である。乗算回数に関しても、ＤＦＴを使用した場合には１ＰＣＭ当たり2000回の乗算が必要である。
【００７０】
これに対し、本実施形態の方式を採用した場合は、必要とするメモリ（レジスタ）は、音声圧縮手段と解析手段とを分けた場合に解析手段の発振器として必要とする量は２ワード分であり、ワーク用のレジスタを含めても格段に少ない。演算回数も１ＰＣＭ当たり４回である。このように、メモリ量、演算回数共に大幅に少ない量で実現可能であり、コスト的な長所を有している。
【００７１】
なお、本実施形態の欠点としては、入力信号の急激な変動に対して追従が遅い点があるが、入力信号源が音声の場合は、急激な変動が連続して起こることは極めて少ないため、大きな問題とはならない。
【００７２】
（本発明の他の実施形態）
上記図１〜図３に示した各ブロックは、本実施形態においてはハード的に構成しているが、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータシステムによって構成し、その動作をＲＯＭやＲＡＭに格納された作業プログラムに従って実現するようにしても良い。
【００７３】
この場合、上記作業プログラム自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラム自体、およびそのプログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを格納した記録媒体は本発明を構成する。かかるプログラムを記憶する記録媒体としては、上記ＲＯＭやＲＡＭの他に、例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｉ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ、ｚｉｐ、磁気テープ、あるいは不揮発性のメモリカード等を用いることができる。
【００７４】
また、コンピュータが供給されたプログラムコードを実行することにより、上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合にもかかるプログラムコードは本発明の実施形態に含まれることは言うまでもない。
【００７５】
さらに、供給されたプログラムコードがコンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後、そのプログラムコードの指示に基づいてその機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上述した実施形態の機能が実現される場合にも本発明に含まれることは言うまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
本発明は上述したように、予測を伴う圧縮方式の音声圧縮装置において、予測を行う処理ブロックに、入力信号に対して周期性を持たせる演算を行いその結果を予測のための値として導出する手段を設けたので、周期性を持つ振動現象から発生している音声に関しては極めて良好な予測を行うことができ、この予測に基づき圧縮された音声信号を伸長して再生した場合に、その再生音声のＳ／Ｎ比を向上させることができる。つまり、実際に入力された音声の波形とより近い波形の音声を音声伸長装置で再生することが可能となる。
【００７７】
また、本発明の他の特徴によれば、上記入力信号に対して周期性を持たせる演算を行う手段としての発振器において、入力信号を複素ベクトルの実数部とみなして当該複素ベクトルが一回の処理で所定の角度だけ回転するような複素演算を行う際に、複素演算の虚数部にゲインをかけるようにしたので、１回のサンプル処理ごとに計算される虚数ベクトルの方向が各処理ごとにばらつくのを抑制することができ、基本波に対して複数の高調波が重なった音声に対しても良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。よって、より複雑な波形の音声に対しても極めて良好な予測を行うことができ、再生音声のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００７８】
また、本発明のその他の特徴によれば、発振器の発振周波数を可変にできるように構成したので、ある決まった入力音声信号に対してだけでなく、不特定の様々な入力音声信号に対しても適用することができ、極めて良好な予測を行って圧縮を行い、それを伸長して良好なＳ／Ｎ比の再生音声を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る音声圧縮装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る音声圧縮装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る音声圧縮装置の構成を示す図である。
【図４】発振周波数を決めるθの値の算出アルゴリズムを説明するための図である。
【図５】従来の音声圧縮伸長装置の構成を示す図である。
【図６】従来の音声圧縮装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  減算器
２  符号化器
３  復号化器
４  加算器
５  発振器
２１  第１の減算器
２２  第２の減算器
２３  第１の加算器
２４  第２の加算器
２５  ディレイ回路
３０  差分回路
３１  ディレイ回路
３２  信号解析器
３３  θ設定部
３４  発振部
３５  発振器
【図１】
0004173218.tif 000003
【図２】
0004173218.tif 000004
【図３】
0004173218.tif 000005
【図４】
0004173218.tif 000006
【図５】
0004173218.tif 000007
【図６】
0004173218.tif 000008