(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号モデル（500）および品質パラメータ（q）を用いて受信信号（r）から音声信号を再構成する方法において、前記信号モデル（500）を用いて受信信号（r）の予測値に相当する推定信号
0004173198.tif 000065
を作成し、該受信信号（r）および該推定信号
0004173198.tif 000066
を合成して再構成音声信号（rrec）を作成するが、ここにおいて品質パラメータ（q）に基づいて合成を行うべき合成比率（α、β）を決定し、
所定の標本数（ｎt）を与え、前記再構成音声信号（ｒrec）が前記受信信号（ｒ）に等しい状態と前記再構成音声信号（ｒrec）が前記推定信号
0004173198.tif 000067
に等しい状態との間の転移を、少なくとも前記標本数（ｎt）に対応する時間をかけて段階的に実施することを特徴とする方法。
【請求項２】
品質パラメータ（q）が受信信号（r）の測定強度（RSS、γ）に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
品質パラメータ（q）が前記受信信号（r）の推定受信信号レベル（C）の妨害信号（I）の信号レベルに対する比率（C/I）に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記品質パラメータ（q）が前記信号（r）のデジタル表現から計算されたビット誤り率（BER）に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記品質パラメータ（q）が前記信号（r）のデジタル表現から計算された不良フレームインジケータ（BFI）に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記信号モデル（500）が前記受信信号（r）の線形予測（LPC/LTP）に基づくことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記線形予測（LPC/LTP）を用いて前記受信信号（r）の短期予測（STP）を示す係数を作成することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記線形予測（LPC/LTP）を用いて前記受信信号（r）の長期予測（LTP）を示す係数を作成することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記線形予測（LPC/LTP）を用いて前記推定信号
0004173198.tif 000068
の経過
0004173198.tif 000069
に関する増幅値（b）を作成することを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記線形予測（LPC/LTP）が、受信信号（r）が音声情報であるか非音声情報であるかを示す情報（ｃ）を含むことを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記線形予測（LPC/LTP）が、前記受信信号（r）が有声音であるか無声音であるかを示す情報（ｃ）を含むことを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記線形予測（LPC/LTP）が、前記受信信号（r）が局所的に定常であるか局所的に非定常であるかを示す情報（ｃ）を含むことを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記受信信号（r）が標本化および量子化されアナログ変調されて送信された音声信号であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記受信信号（r）がデジタル変調されて送信された符号化信号であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記受信信号（r）は、適応微分パルス符号変調（ADPCM）信号を復号化して得られたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記受信信号（r）は、対数的パルス符号変調（PCM）信号を復号化して得られたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
信号モデル化部（500）を有し、受信信号（r）から音声信号を再構成する装置であって、信号モデル化部（500）は前記受信信号（r）の予測値に対応する推定信号
0004173198.tif 000070
を作成し、該受信信号（r）および該推定信号
0004173198.tif 000071
を品質パラメータ（q）によって決定した合成比率（α、β）を用いて合成して再構成音声信号（rrec）を作成する信号合成部（700）を有し、
所定の標本数（ｎt）を与え、前記再構成音声信号（ｒrec）が前記受信信号（ｒ）に等しい状態と前記再構成音声信号（ｒrec）が前記推定信号
0004173198.tif 000072
に等しい状態との間の転移を、少なくとも前記標本数（ｎt）に対応する時間をかけて段階的に実施することを特徴とする装置。
【請求項１８】
前記信号合成部（700）のプロセッサ（710）が前記受信信号（r）の各標本の前記品質パラメータ（q）の値に基づく第一重み付け係数（α）および第二重み付け係数（β）を供給することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
信号合成部（700）において第一乗算部（720）で前記受信信号（r）に前記第一重み付け係数（α）を乗じて第一加重値（αr）を算出し、第二乗算部（730）で前記推定信号
0004173198.tif 000073
に前記第二重み付け係数（β）を乗じて第二加重値
0004173198.tif 000074
を算出し、第一総和部（740）において前記比率（α、β）に従って算出した第一加重値（αr）および第二加重値
0004173198.tif 000075
を合成することで第一総和信号として前記再構成信号（rrec）を作成することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
最大値が１に等しく、最小値が０に等しく、前記第一重み付け係数（α）と前記第二重み付け係数（β）の和（α+β）が１に等しいことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記信号モデル化部（500）が、線形予測信号モデル（LPC/LTP）に従って前記受信信号（r）の特定の特性に依存するパラメータ（a、b、c、L）を作成する解析部（520）を有することを特徴とする請求項１７ないし請求項２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記パラメータ（a、b、c、L）が、それぞれの伝達関数（A（z）、1/A（z））が互いに逆数である第一デジタルフィルタ（510）および第二デジタルフィルタ（580）のフィルタ係数を含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
第一デジタルフィルタ（510）が逆フィルタ（A（z））であり、第二デジタルフィルタ（580）が合成フィルタ（1/A（z））であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
信号モデル化部（500）が、それぞれの伝達関数（A（z）、1/A（z））が互いに逆数である第一デジタルフィルタ（510）および第二デジタルフィルタ（580）を有することを特徴とする請求項１７ないし請求項２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
第一デジタルフィルタ（510）が高域通過フィルタの特性を有し、第二デジタルフィルタ（580）が低域通過フィルタの特性を有することを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第一デジタルフィルタ（510）が前記受信信号（r）をフィルタして残留信号（R）を作成させることを特徴とする請求項２２ないし請求項２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記信号モデル化部（500）が、前記パラメータのうち三つ（b、c、L）および第二総和信号（C）に基づく推定信号
0004173198.tif 000076
を作成する励振発生部（530）と、前記品質パラメータ（q）および該パラメータのうち一つ（c）に基づく制御信号（s1-s6）を作成する状態機械（540）とを有することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記信号モデル化部（500）が、前記残留信号（R）の第三加重値（s5R）と第四加重値
0004173198.tif 000077
とを合成することで前記第二総和信号（C）を発生させる第二総和部（570）を有することを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第二デジタルフィルタ（580）が前記第二総和信号（C）をフィルタすることで前記推定信号
0004173198.tif 000078
を発生させることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記励振発生部（530）がメモリバッファ（620）およびランダム発生器（630）を有することを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記メモリバッファ（620）に前記第二総和信号（C）の経過値
0004173198.tif 000079
を保存することを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記メモリバッファ（620）で前記パラメータのうち二つ（b、L）に基づき有声音を表わす第一信号（Hv）を発生させることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記ランダム発生器（630）で前記制御信号（s2）に基づき無声音を表わす第二信号（Hu）を発生させることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記第一信号（Hv）の第三加重値（s3Hv）と前記第二信号（Hu）の第四加重値（s4Hu）を合成することで前記推定信号
0004173198.tif 000080
を作成する第三総和部（660）を含むことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記受信信号（r）が標本化および量子化されたアナログ送信の音声信号であることを特徴とする請求項１７ないし請求項３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記受信信号（r）がデジタル変調されて送信された符号化信号であることを特徴とする請求項１７ないし請求項３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記受信信号（r）は、適応微分パルス符号変調（ADPCM）信号を復号化して得られたものであることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記受信信号（r）は、対数的パルス符号変調（PCM）信号を復号化して得られたものであることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明が属する分野
本発明は、無線チャネルを介して送信された音声信号を再構成する方法に関するものである。無線チャネルは完全にアナログ形式の音声情報あるいはデジタル的に符号化された音声情報を伝送する。しかし、後者の場合、音声情報は線形予測符号によって符号化された音声ではない。すなわち、音声情報は送信機側で線形予測音声符号器で処理されていることを前提としない。より具体的には、本発明は雑音、干渉またはフェージング等の妨害に遭った可能性のある受信音声信号から、これら妨害の影響を最小限に抑えて音声信号を再構成する方法に関する。
本発明はその方法を実施するための装置にも関するものである。
背景技術の説明
送信機から受信機へデジタル化音声信号を送受信する技術において、送信機側で音声情報を線形予測法によって符号化および復号化し、受信機側で復号化することは周知である。LPC（LPC＝Linear Predictive Coding）は、低ビットレートで高品質の音声を実現可能であるので、強力な音声情報解析方法である。線形予測符号化LPCは計算的に比較的効果的でありながら、信頼性のある音声パラメータの推定を生成する。線形予測符号化LPCの一例としては、GSM EFR（GSM＝Global System for Mobile communication, EFR＝Enhanced Full Rate）、GSM規格のフルレート改良型音声符号器がある。この符号化によれば、例えば無線で送信された音声信号の受信者は、伝送中に発生した特定の種類の誤りを修正したり、他の種類の誤りを覆い隠すことができる。このような処理の例としては、Draft GSM EFR 06.61,“Substitution and muting of lost frames for enhanced full rate speech traffic channels”, ETSI, 1966および”Coding of speech at 16 kbps using Low Delay−Code Excited Linear Prediction（LD-CELP）”, ITU, Geneva, 1992によるG.728規格に基づくITU Study Group 15 Contribution to question 5/15, “G.728 Decoder Modifications for Frame Erasure Concealment”, AT&T, February 1995に記されているフレーム置換および誤りミューティングまたは抑制方法がある。例えば、米国特許第5,233,660号はLD-CELPの原理に従って作動するデジタル音声符号器および音声復号器を教示する。
音声情報は、例えばパルス符号変調（PCM）等の選択的符号化アルゴリズムに従って符号化されるので、特定のデータワードに誤りが発生するとそれに先行するデータワードが繰り返されることが知られている。David J. Goodman et al.による論文、”Waveform Substitution Techniques for Recovering Missing Speech Segments in Packet Voice Communications”, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol. ASSP-34, No. 6, Dec. 1986, pp. 1440-1447には、送信機と受信機間のPCM通信で失われた音声情報を、受信機側で先着の情報から抽出した情報で置換することが記載されている。
適応微分パルス符号変調（ADPCM）を用いて音声情報を変調するシステムの場合、復号化フィルタで状態を変調し、誤りを抑制し、大信号振幅を制限する方法が複数知られている。”A Voice Transmission Quality Improvement Scheme for Personal Communication Systems−Super Mute Scheme”, NTT Wireless Systems Laboratories, Vol. 4, 1995, pp. 713-717において、M. SuzukiおよびS. Kubotaは、音声情報のADPCM通信においてデータが誤って送信された場合、受信信号を減衰させる方法を記載する。
発明の概要
本発明は、無線信号が妨害され易い、アナログ無線通信システムおよびDECT（DECT＝Digital European Cordless Telecommunications）等の特定のデジタルコードレス通信システムにおいて発生する課題を解決する。そのような課題の一例としては、例えばフェージング等によって受信アナログ無線信号が弱すぎ、雑音に希釈されてしまう時に起こるクリック音がある。
他の課題としては、最後に受信したデータワードに誤りが認識され、デジタル化音声信号において直前のデータワードが繰り返される時に発生するクリック音や「バン」という音がある。
更なる課題は、受信したデータワードの誤り率が遥かに高過ぎるため、受信されたデジタル化音声信号がミューティングまたは抑制される時に発生する中断に関連する。
従って、本発明の目的は、送信機から受信機までの伝送中に妨害に遭った可能性のある受信音声信号から、その妨害の影響が最小限に抑えられた音声信号を構成することである。この妨害は、例えば雑音、干渉またはフェージング等によるものである。
本発明は、信号モデル化手法を用いて、受信音声信号から、受信音声信号の品質を示す品質パラメータに依存する推定信号を作成することで目的を達成する。次いで、前記品質パラメータによって決定される変数関係に従い、受信音声信号と推定音声信号を合成し、再構成音声信号を作成する。受信状態によって受信音声信号の音声品質が変わると、上記関係を変化させて、再構成音声信号の品質を回復させる。よって、基本的に均一かつ一定の品質が得られる。発明による方法は、下記請求項１に記載する特徴を有する。
提案する装置は受信音声信号から音声信号を再構成する機能を有する。装置は、受信音声信号の予想されるその後の値に対応する推定音声信号を作成する信号モデル化部、および品質パラメータによって決定される変数関係に従って受信信号と推定音声信号を合成する信号合成部を具備する。提案する装置は請求項２０に記載する特徴を有する。
音声信号の統計的特性を利用して受信のアナログまたはデジタル音声信号を再構成することによって、PCM通信またはADPCM通信をそれぞれ用いたアナログシステムまたはデジタルシステムにおいて、従来から知られていた解決策によって実現できた音声品質と比較して、受信者が経験する音声品質を大幅に改善できる。
受信音声信号の再構成において音声信号の統計的特徴を考慮するため、PCM通信やADPCM通信等において、例えば最後に受信したデータワードに誤りが認識されたことによって音声信号の直前のデータワードが繰り返された場合に発生するクリック音や「バン」という音を防止することができる。
受信のデータワードの誤り率が非常に高いために受信デジタル化音声信号がミューティングされる時に発生する中断は、そのような状況において、提案する方法で得た推定音声信号のみを使用することによって防止できる。
【図面の簡単な説明】
図１は周知の方法に従い線形予測符号化LPCを用いた音声情報の符号化および復号化を示す。
図２は提案の方法による音声情報の送信、受信および再構成の原理を示す。
図３は発明の方法で使用できるチャネルモデルの例を示す。
図４は図２における信号再構成部を示す概略ブロック図である。
図５は図４における信号モデル化部を示す概略ブロック図である。
図６は図５における励振発生部を示す概略ブロック図である。
図７は図４における提案の信号合成部を示す概略ブロック図である。
図８は図７の信号合成部に適用する発明の信号合成方法の第一実施例を示すフローチャートである。
図９は図８のフローチャートに従って得られる結果の例を示す。
図１０は図７の信号合成部に適用する発明の信号合成方法の第二実施例を示すフローチャートである。
図１１は図１０のフローチャートに従って得られる結果の例を示す。
図１２は受信音声信号の品質パラメータが受信音声標本値のシーケンスに従ってどのように変化するか示す例である。
図１３は図１２における受信音声信号の信号振幅を示す。
図１４は、提案の方法によって再構成される図１３における音声信号の信号振幅を示す。
図１５は発明の信号再構成部をアナログ送受信機に適用した例を示す概略ブロック図である。
図１６は発明の信号再構成部をデジタル化音声信号を送受信するための送受信機に適用した例を示す概略ブロック図である。
以下、提案する実施例と共に添付の図面を参照して、本発明をより具体的に説明する。
実施形態の詳細な説明
図１は従来の方式で線形予測符号化LPCを用いて音声情報Sとして人間の声を符号化する例を示す。線形予測符号化LPCでは、音声信号Sは共鳴管110内に位置する音源100によって発生する可能性があると仮定する。音源100は、口腔と共に共鳴管110を構成する人体内の声帯および器官に対応する。音源100は強度および周波数のパラメータによって特徴付けられ、この音声モデルでは励振をeと示し、音源信号Kによって代表される。共鳴管110はその共鳴周波数、すなわち短期スペクトル1/Aで示される、いわゆるフォルマントによって特徴付けられる。
線形予測符号化LPCでは、音声信号Sを、解析部120において、潜在する短期スペクトル1/Aを推定および消去し、残留信号の励振e、すなわち強度および周波数を求めることで解析する。短期スペクトル1/Aの消去は、音声信号Sに基づきLPC解析部180で作成されたベクトルaの係数に基づいて作成された伝達関数A（z）を有するいわゆる逆フィルタ140で行う。残留信号、すなわち逆フィルタ出力信号は、残留Rと称する。残留Rと短期スペクトル1/Aをそれぞれ表わす係数e（n）とサイド信号cを合成器130に伝送する。音声信号
0004173198.tif 000002
は、合成器130において、解析部120で符号化した際の工程と逆の工程を経て再構成される。励振解析部150で解析することによって得た励振e（n）を使用して、励振部
0004173198.tif 000003
で推定音源信号
0004173198.tif 000004
を発生させる。ベクトルAの係数によって表わす短期スペクトル1/Aは、サイド信号cからの情報を用いてLPC合成器190で作成する。次に、推定音源信号
0004173198.tif 000005
が送られて再構成音声信号
0004173198.tif 000006
を出力する共鳴管110を表現する、伝達関数が1/A（z）である合成フィルタ170をベクトルAを用いて作成する。音声信号Sの特性は時間の経過と共に変化するので、許容できる程度の音声品質と良好な圧縮を実現するためには上記の工程を毎秒３０ないし５０回繰り返すことが必要である。
線形予測符号化LPCの基本的な課題は音声信号Sから短期スペクトル1/Aを決定することである。この課題は、各音声信号Sの標本を先行の標本の線形合成として表わす微分方程式を利用して解決する。そのため、この方法を線形予測符号化LPCと称する。LPC解析部180で行う線形予測解析によって短期スペクトル1/Aを表わす微分方程式の係数aを推定しなければならない。この推定は実際の音声信号Sと予測音声信号
0004173198.tif 000007
の差δSの二乗平均値を最小化して行う。最小化の課題は以下の二つの工程を用いることで解決する。先ず、係数値の行列を求める。次いで、いわゆる予測方程式と称する連立線形方程式を、収束および単一解を保証する方法に従って解く。
有声音を発声する場合、共鳴管110によって気管および口腔をうまく再現できるが、鼻音に関しては、鼻は共鳴管110では模倣できない縦の腔を成す。このような音の一部は残存Rで捕らえることができるが、残りの部分は単純な線形予測符号化LPCによっては正確に伝えることができない。
特定の子音は、口笛のような音を出す空気の乱流によって発生する。この音も予測方程式で表現することができるが、有声音とは異なり、この音は周期的ではないため、表現は若干異なる。その結果、LPCアルゴリズムは各音声フレームにおいて音が、ほとんどの音声の場合にそうであるように有声音であるか、特定の子音の場合のように無声音であるかを判断しなければならない。ある音が有声音であると判断したら、その周波数および強度を推定し、音が無声音であると判断したら強度のみを推定する。通常、周波数は１つの数値で表し、強度は他の数値で表し、音の種類に関する情報は、例えば有声音であれば「1」と設定され、無声音であれば「0」と設定される情報ビットによって示される。このデータはLPC解析部180が発生するサイド信号cに含まれる。LPC解析部180で生成でき、サイド信号cに含むことができる他の情報としては、音声信号Sの短期予測STPおよび長期予測LTPをそれぞれ表わす係数、既に送信済みの情報に関連する増幅値、有声音および無声音それぞれに関連する情報および音声信号が局所的に定常であるか局所的に非定常であるかを示す情報等がある。
有声および無声の音の組み合わせによる音声は単なる線形予測符号化LPCでは完全に表現できない。そのため、このような音は音声信号
0004173198.tif 000008
を再構成する際に誤って再現される。
短期スペクトル1/Aが音声信号Sから決定される場合に必然的に起きる誤りは、論理的に必要である以上の情報を残留Rに符号化してしまうという結果を招く。例えば、前述の鼻音は残留Rで表現される。そのため、残留Rは音声について必須な情報を含む。この情報が欠けていたら、線形予測音声合成では不充分な結果となる。そのため、高品質の音声を得るためには残留Rを送信する必要がある。これは通常、最も一般的な残留信号Rを記録した表を含むいわゆる符号帳を利用することで行う。符号化する時、得られた残留Rを符号帳に存在する全ての値と比較し、計算された値に最も近い値を選択する。受信機は送信機と同一の符号帳を有し、結果的に該当する残留Rを示す符号VQのみを送信することで済む。信号を受信したら、受信機の符号帳から符号VQに対応する残留値Rを取得し、該当する合成フィルタ1/A（z）を作成する。このような音声通信はコード励振線形予測CELPと称する。符号帳は残留Rの基本的な変形を全て含む大きさでありながら、符号帳検索時間を最小限にし、実際の符号を短くするため、可能な限り小さくなくてはならない。また、一方が永久的であり、他方が適応的である二つの小符号帳を使用すると、多くの符号を取得可能となり、検索を即座に実行することができる。永久符号帳はごく一般的な残留Rを複数含み、それゆえ比較的小さくできる。適応的符号帳は元々空であるが、異なる遅延期間を有する先行の残留Rをコピーすることで次第に満たされる。つまり、適応的符号帳はシフトレジスタとして機能し、遅延の値が生成される音の高さを決定する。
図２は、提案する方法に従って音声情報Sがいかにして送信、受信、再構成rrecされるかを示す。入力音声信号Sを送信機200の変調部210によって変調する。次に、変調信号Smodを、例えば無線区間を経て受信機220に送信する。しかし、変調信号Smodは、伝送中に雑音、干渉、フェージングまたは他の各種妨害Dに遭う可能性が非常に高い。そのため、受信機220で受信する信号S’modは送信機200から送信した信号Smodとは異なる。受信信号S’modを復調部230によって復調し、受信音声信号rを作成する。復調部230は受信した信号S’modの品質を表わし、それによって間接的に受信の音声信号rの予想する音声品質を表わす品質パラメータqをも発生する。信号再構成部240は、受信音声信号rおよび品質パラメータqに基づき、実質的に均一または一定の品質の再構成音声信号rrecを出力する。
変調信号Smodは、例えば周波数変調FMで完全にアナログ変調したか、あるいはFSK（FSK＝Frequency Shift Keying）、PSK（PSK＝Phase Shift Keying）、MSK（MSK＝Minimum Shift Keying）等の原理によりデジタル変調した無線周波数変調信号であっても良い。送信機および受信機は移動局と基地局両方に備えられても良い。
無線チャネルが受ける妨害Dは無線信号のマルチパス伝播に原因があることが多い。マルチパス伝播の結果、ある時点での信号は送信機から異なる距離進んで、そのため互いに時間ずれしている二つ以上の無線ビームから成る。時間差によって、無線ビームは強め合うかあるいは弱め合う。強め合いの場合無線信号は増幅され、弱め合いの場合は弱められ、最悪のケースでは信号が完全に消滅してしまう。このような無線環境を表わすチャネルモデルはレイリーモデルと呼ばれ、図３に示す。信号強度γは図の縦軸に沿って対数目盛で示し、時間tは横軸に沿って線形目盛で示す。γ0は信号強度γの長期平均値を表わし、γtは強度γが伝送される音声信号が妨害されるほど低い時の信号レベルを表わす。時間tAおよびtBの間、受信機は二つ以上の無線ビームが弱め合い、無線信号がいわゆるフェージングディップに遭う場所に位置している。この時間において、発明の方法に従えば信号の再構成に受信音声信号の推定版を使用することができる。受信機が静的無線環境中を一定速度で移動すると、隣り合う二つのフェージングディップtAおよびtBの間の間隔Δtは一般的に一定となり、tAはtBと同規模となる。Δt、tAおよびtBはいずれも受信機の速度および無線信号の周波数に依存する。二つのフェージングディップの間隔は通常波長の半分、すなわち900MHzのキャリア周波数では約17センチメートルである。受信機が1m/sの速度で移動している場合、Δtはおよそ0.17秒に等しく、ほとんどのフェージングディップは20ミリ秒より長くはならない。
図４は、提案の方法によれば図２の信号再構成部240がどのようにして再構成音声信号rrecを作成するかを概略的に示す。受信音声信号rを信号モデル化部500内に取り込み、推定音声信号
0004173198.tif 000009
を出力する。受信信号rおよび推定音声信号
0004173198.tif 000010
は単一の信号合成部700で受け取り、可変比率に従って信号rおよび
0004173198.tif 000011
を合成する。合成を行う比率は、信号合成部700に取り込まれる品質パラメータqで決定する。品質パラメータqは信号モデル化部500にも取り込まれ、ここでは推定音声信号
0004173198.tif 000012
を作成する方法を決定する。品質パラメータqは所望の無線信号C（C＝キャリア）の信号レベルの受信無線信号から発生する妨害信号I（I＝干渉）またはビット誤り率信号または不良フレーム信号の信号レベルに対する比率C/Iの推定値である測定信号強度RSSに基づくものであっても良い。再構成音声信号rrecは、重み付けられた受信音声信号rと重み付けられた推定音声信号
0004173198.tif 000013
の重み付け値との和として信号合成部700から送り出される。rおよび
0004173198.tif 000014
のそれぞれの重みは再構成音声信号rrecを完全にいずれかの信号rまたは
0004173198.tif 000015
によって構成できるよう変化させることができる。
図５は図４の信号モデル化部500を示す概略ブロック図である。受信した音声信号rを逆フィルタ510に取り込み、短期スペクトル1/Aを消去し、残留Rを作成する伝達関数A（z）によって信号rを逆フィルタする。逆フィルタ係数aは受信音声信号rに基づきLPC/LTP解析部520で作成する。フィルタ係数aは伝達関数1/A（z）を有する合成フィルタ580にも供給される。LPC/LTP解析部520は受信音声信号rを解析し、サイド信号cおよびそれぞれ信号rの特性と励振発生部530の制御パラメータを構成する値bおよびLを出力する。サイド信号cは信号rの短期予測STPおよび長期予測LTPそれぞれに関連する情報、制御パラメータBの適切な増幅値、有声音および無声音それぞれに関連する情報および信号rが局所的に定常であるか非定常であるかに関連する情報を含み、状態機械540に供給され、値bおよびLは推定音源信号
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を作成する励振発生部530に送られる。
LPC/LTP解析部520および励振発生部530はそれぞれs1とs2およびs3とs4によって状態機械540で制御する。状態機械540の出力信号s1-s6は品質パラメータqおよびサイド信号cに依存する。通常、品質パラメータqは、受信信号rの品質が予め定められた値未満であれば信号rの長期予測LTPを更新せず、推定音源信号
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の振幅が信号rの品質に比例するように、制御信号s1-s4によってLPC/LTP解析部520および励振発生部530を制御する。状態機械540は、総和器570で和を取る前に残留Rおよび推定音源信号
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を重み付ける乗算器550および560にもそれぞれ重み付け係数s5とs6を供給する。
状態機械540および重み付け係数s5およびs6を介して、品質パラメータqは総和器570において残留Rおよび推定音源信号
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を合成する比率を制御し、受信音声信号rの品質が高ければ高いほど、残留Rの重み付け係数s5を大きくし、推定受信信号
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の重み付け係数s6を小さくするよう、総和信号Cを作成する。受信音声信号rの品質が低下すると重み率s5を下げ、重み率s6を相当分上げ、s5とs6の和が常に一定となるようにする。総和信号
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は合成フィルタ580によってフィルタし、推定音声信号
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を作成する。信号Cは励振発生部530にも帰還し、そこで経過励振値を示すために保存される。
逆フィルタ510および合成フィルタ580は本来メモリ特性を有するため、信号の品質が極端に低い時には、受信音声信号rの特性に従ってフィルタの係数を更新しない方が有利である。その場合に更新してしまうと、フィルタパラメータaを不適正な値に設定する結果となり、これは更に受信音声信号rが高いレベルとなった後でも、推定信号Rが低品質となる結果を招く。そのため、発明の改良変形例では、状態機械540は重み付けられた受信音声信号rおよび推定音声信号
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をそれぞれ第７および第８制御信号によって作成するが、これらの値は、品質パラメータqが予め定められた値qcより低い場合には、推定音声信号
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に基づいてLPC/LPT解析を行い、品質パラメータqが予め定められた値qcより高い場合には、受信音声信号rに基づいてLPC/LPT解析を行い、合計した上で使用する。qが安定してqcより高ければ、第７制御信号を常にロジック「１」と設定して第８制御信号をロジック「０」とし、qが安定してqcより低ければ、第７制御信号を常にロジック「０」と設定して第８制御信号をロジック「１」とする。中間通信期間において、状態機械540は品質パラメータqの現在値に従って０から１までの値を制御信号に配分する。これら制御信号の和は常に１に等しい。
逆フィルタ510と合成フィルタ580の伝達関数は常に互いに逆数、すなわちA（z）および1/A（z）である。発明の簡略化された実施例によれば、逆フィルタ510は固定フィルタ係数aを有する高域通過フィルタであり、合成フィルタ580は同等のフィルタ係数aを有する低域通過フィルタである。つまり、この発明の簡略化された変形例では、LPC/LTP解析部520は、受信音声信号rの状態に限らず、常に同じフィルタ係数aを供給する。
図６は図５の励振発生部を示す概略ブロック図である。値bおよびLは状態機械540から信号s2によって制御される制御部610に取り込まれる。値bはメモリバッファ620のある標本
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と乗算する係数を示し、値Lはある励振
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を取得する励振経過から逆方向にL標本ステップ分に対応するシフトを示す。信号Cの励振経過
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をメモリバッファ620に保存する。メモリバッファ620の保存容積は標本の少なくとも150個分に対応し（すなわちN＝150）、信号Cからの情報は新たな情報が入力されると最古の情報をシフトアウト（この場合では消去）するシフトレジスタの原理に従って保存する。
LPC/LTP解析がある音を有声音と判断すると、制御信号s2は値bおよびLをメモリバッファ620に供給する許可を制御部610に与える。音声信号rの長期予測LTPから作成する値Lは、音声信号rの周期を示し、値bは総和信号Cを介して最良の推定音声信号
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を作成する推定音源信号
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を得るために励振履歴中の標本
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と乗算する重み付け係数を構成する。このようにして、値bおよびLはメモリバッファ620から情報を読み取り、信号Hvを形成する方式を制御する。
LPC/LTP解析で現在の音が無声音であると判断すると、制御信号s2は制御部610に、代わりにランダム発生器630にランダムシーケンスHuを発生させる信号nを送る。
信号Hvおよびランダム信号Huはそれぞれ乗算器640および650で係数s3およびs4で加重し、総和部660で式
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に従って総和し、推定音源信号
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を作成する。現在の音声が有声音であれば、係数s3をロジック「１」と設定し、係数s4をロジック「０」と設定する。逆に現在の音声が無声音であれば、係数s3をロジック「０」と設定し、係数s4をロジック「１」と設定する。有声音から無声音への変化の際には、複数の互いに連続する標本の間にs3を減少させながらs4を相当分増加させる。逆に無声音から有声音に変化する際には、s4およびS3を同様にそれぞれ減少させまたは増加させる。
総和信号Cはメモリバッファ620に供給され、そこで標本毎に励振経過
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を更新する。
図７は受信音声信号rおよび推定音声信号
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を合成する図４の信号合成部700を示す。信号合成部700は、これらの信号の他に品質パラメータq受ける。品質パラメータqに基づいて、プロセッサ710は、総和部740での合計に先だって、乗算器720および730で受信音声信号rおよび推定音声信号
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にそれぞれ乗算する重み付け係数αおよびβを生成し、再構成音声信号rrecを作成する。品質パラメータqの値によって、各重み付け係数αおよびβを標本毎に変化させる。受信音声信号rの品質が向上すると、重み付け係数αを増加させ、重み付け係数βを減少させる。受信音声信号rの品質が落ちると、逆を適用する。αおよびβの和は常に１である。図８のフローチャートは本発明の方法の第一実施例によって、図７の信号合成部700においてどのようにして受信音声信号rおよび推定音声信号
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を合成するかを示す。信号合成部700のプロセッサ710は-1からnt+1までステップできるカウンタ変数nを含む。ntの値は各受信音声信号rに対して推定音声信号
0004173198.tif 000037
が再構成音声信号rrecと同一となるために必要な、受信無線信号の品質パラメータqが予め定められた品質レベルγmを下回るあるいは上回る連続音声標本の数を表わし、どの音声標本の間、受信音声信号rおよび推定音声信号
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を合成して再構成音声信号rrecを作成するかを示す。すなわち、ntの値が大きいほど、二つの信号rと
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との間の転移時間ttが長い。
ステップ800では、最初の音声標本の再構成にあたって、フローチャートのステップ840に達した時にカウンタ変数nが合理的な値になることを保証するために、カウンタ変数nにnt/2の値を与える。ステップ805では、信号合成部700が受信音声信号rの第一音声標本を受け取る。ステップ810では、任意の品質パラメータqが予め定められた値より高いか否かが判断される。この例では、受信信号品質は受信無線信号の強度γを表わす。そのため、ステップ810では、強度γを受信無線信号の強度γの長期平均値を含む強度γ0と比較する。γがγ0より大きければ、ステップ815で再構成音声信号rrecを受信音声信号rと等しくし、ステップ820でカウンタ変数nをロジック「１」に設定し、その後フローチャートのステップ805に戻る。そうでなければ、ステップ825で強度γが、許容できる音声品質の下限に当たる予め定められたレベルγtより大きいか否か判断する。γがγtより大きくなければ、ステップ830で再構成音声信号rrecを推定音声信号
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と等しくし、ステップ835でカウンタ変数nをntに設定し、その後フローチャートのステップ805に戻る。ステップ825でγがγtより大きいと判断されると、ステップ840で再構成音声信号rrecを、受信音声信号rに第一係数αを掛けたものと推定音声信号
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に第二係数βを掛けたものとの和として算出する。この例では、α＝（nt−n）/ntでβ＝n/ntであるため、rrecは
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で求めることができる。受信音声信号の次の音声標本はステップ845で取り込み、ステップ850で受信無線信号の対応する強度γがγ0とγtの算術平均値を表わすγm（すなわちγm＝（γ0＋γt）/2）の値より大きいか否か判断し、そうであれば、ステップ855でカウンタ変数nを一つ減らし、ステップ860でカウンタ変数nが０より低いか判断する。ステップ860でカウンタ変数nが０より低いと判断されると、それはγがnt回分の連続標本でγmの値を上回ったことを示し、よって再構成音声信号rrecを受信音声信号rと等しくすることができる。このようにしてフローチャートをステップ815まで実行する。ステップ860でカウンタ変数nが０以上であると判断すると、フローチャートをステップ840まで実行し、新しい再構成音声信号rrecを求める。ステップ850で強度γがγm以下であれば、ステップ865でカウンタ変数nを一つ増やす。次いでステップ870でカウンタ変数nがntの値より大きいか判断し、そうであれば信号レベルγがnt回分の連続標本でγmの値を下回ったことを示し、よって再構成音声信号rrecを推定音声信号
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と等しくするべきである。そのため、フローチャートのステップ830に戻る。そうでなければ、フローチャートのステップ840まで実行し、新しい再構成音声信号rrecを求める。
図９は図８のフローチャートを実行することで得ることができる結果の例を示す。この例は、ntを10に設定した例である。受信無線信号の強度γは、最初の四個の音声標本1-4を受け取る間は長期平均値γ0より大きい。そのため、図８のフローチャートはステップ800-820までのみを実行し、よって標本2-5ではカウンタ変数nは「１」となる。結果的に、再構成音声信号rrecは標本1-4の間受信音声信号rと等しくなる。それに次ぐ12個分の音声標本5-16では、これらの標本において受信無線信号の強度γは受信無線信号の強度の長期平均値γ0を下回るので、再構成音声信号rrecは受信音声信号rおよび推定音声信号
0004173198.tif 000044
の合成からなる。例えば、再構成音声信号rrecは、音声標本5ではn＝1なので式
0004173198.tif 000045
で表わし、音声標本14ではn＝8なので式
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で表わす。音声標本17-23では、最新の10個分（nt＝10）の標本7-16の受信無線信号の強度γがγmを下回り標本17-22の強度γがγmを下回るので、再構成音声信号rrecは推定音声信号
0004173198.tif 000047
と等しくなる。音声標本23および24の受信無線信号の強度γは強度γmを上回るが、長期平均値γ0より低いので、標本24および25においては再構成音声信号rrecは再び受信音声信号rおよび推定音声信号
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の合成からなる。例えば、音声標本25における再構成音声信号rrecは、n＝9なので式
0004173198.tif 000049
で表わされる。
図１０のフローチャートは、発明の方法の第二実施例によれば、図７の信号合成部700で受信音声信号rおよび推定音声信号
0004173198.tif 000050
をどのようにして合成するかを示す。この実施例では、プロセッサ710の変数nも-1からnt＋1まで変化する。この場合でも、ntの値は各受信音声信号rに対して推定音声信号
0004173198.tif 000051
が再構成音声信号rrecと同一となるために必要な、受信無線信号の品質パラメータqが予め定められた品質レベルBmを下回るあるいは上回る連続音声標本の数を表わし、どの音声標本の間、再構成音声信号rrecを受信音声信号rおよび推定音声信号
0004173198.tif 000052
の合成によって作成するかを示す。
最初の音声標本を再構成する際にフローチャートのステップ1040に到達するときカウンタ変数が合理的な値を有することを保証するために、ステップ1000でカウンタ変数nをnt/2と指定する。ステップ1005で、信号合成部700は受信音声信号rの第一音声信号を取り込む。ステップ1010で、この例ではビット誤り率BERで表わす品質パラメータqが、ある音声標本に該当するデータワードに対して、ある値を上回るか否か、つまりビット誤り率BERが予め定められた値B0より低いか否か判断する。ビット誤り率BERは、例えば当該音声標本を表わす受信データワードに対してパリティチェックを行うことで求めることができる。B0は全ての誤りが修正可能であるか、あるいは、隠すことができる範囲の最大限の誤り率BERを表わす。よって、誤りを修正することも隠すこともできないシステムでは、B0は「１」となる。ステップ1010では、BERをB0と比較する。ビット誤り率BERがB0より低いと、ステップ1015で再構成音声信号rrecを受信音声信号rと等しくし、ステップ1020でカウンタ変数nを「１」に設定し、フローチャートのステップ1005に戻る。そうでなければ、ステップ1025でビット誤り率BERが許容できる音声品質の上限に対応する予め定められたレベルBtより大きいか否かを判断する。ビット誤り率BERがBtより大きいと判断すると、ステップ1030で再構成音声信号rrecを推定音声信号
0004173198.tif 000053
と等しくし、ステップ1035でカウンタ変数nをntと設定し、フローチャートのステップ1005に戻る。ステップ1025でビット誤り率BERがBt以下であると判断すると、ステップ1040で再構成音声信号rrecを、受信音声信号rに第一係数αを掛けたものと推定音声信号
0004173198.tif 000054
に第二係数βを掛けたものとの和として算出する。この例では、α＝（nt−n）/ntでβ＝n/ntであるため、rrecは
0004173198.tif 000055
で求めることができる。ステップ1045で次の音声標本を取り込み、ステップ1050で受信データ信号の対応するビット誤り率BERがB0とBtの算術平均値を表わすBm（すなわちBm=（B0＋Bt/2）の値より大きいか否かを判断し、そうであれば、ステップ1055でカウンタ変数nを一つ減らし、ステップ1060でカウンタ変数nが０より小さいか否かを判断する。ステップ960でカウンタ変数nが０より小さいと判断すれば、それはビット誤り率BERがnt個の連続標本でBmの値を下回ったことを示すので再構成音声信号rrecを受信音声信号rと等しくすることができる。このようにしてフローチャートをステップ1015まで実行する。ステップ1060でカウンタ変数nが０以上であると判断すれば、フローチャートをステップ1040まで実行し、新しい再構成音声信号rrecを求める。ステップ1050でビット誤り率BERがBm以上であれば、ステップ1065でカウンタ変数nを一つ増やす。次いでステップ1070でカウンタ変数nがntの値より大きいか否かを判断し、そうであればビット誤り率BERがnt個の連続標本でBmの値を上回ったことを示すので再構成音声信号rrecは推定音声信号
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と等しくしなければならない。そのため、フローチャートのステップ1030に戻る。そうでなければ、フローチャートのステップ1040まで実行し、新しい再構成音声信号rrecを求める。
前述の例の特別なケースは、品質パラメータqがビット誤り率BERではなく、各データワードにつき二つの異なる値を取る不良フレームインジケータBFIである場合である。あるデータワードの誤り数が予め定められた値Btより大きければ、そのことをqを第一数値、例えばロジック「１」に設定することで表わし、誤り数がBt以下であれば、そのことをqを第二数値、例えばロジック「０」に設定することで表わす。この場合には、予め定められた数の標本ntを取り込む際に信号rおよび
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をそれぞれ予め定められたの重み付け係数αおよびβで加重することで、受信音声信号rと推定音声信号
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との間に滑らかな転移を得ることができる。例えば、ntはαとβがそれぞれ0.75、0.50、0.25および0.00と0.25、0.50、0.75および1.00であっても、またその逆であっても良い。
図１１には、図１０のフローチャートを実行して得ることができる結果の例を示す。この例では、ntを「10」に設定する。受信データ信号のビット誤り率BERを図１１の縦軸で示し、受信データ信号の標本1-25を図面の横軸で示す。データ信号は、無線チャネルを介して伝送され、音声情報を表わす。ビット誤り率BERは三つのレベルB0、BmおよびBtに分割する。第一レベルB0は、知覚的に誤りの無い音声信号を得るビット誤り率BERに対応する。換言すると、各受信データワードにつき、システムはB0−１個のビット誤りを修正または隠すことができる。第二レベルBtは、対応する音声信号が許容できないほど低品質となる程度の高いビット誤り率BERを示す。第三レベルBmはBtとB0の算術平均値Bm＝（Bt＋B0）/2を示す。
最初の四個の音声標本1-4を受信する際には、受信音声信号のビット誤り率BERはレベルB0より低い。よって、標本2-5を受信している間にはカウンタ変数nは「１」であり、再構成音声信号rrecは受信音声信号rに等しい。それに次ぐ12個の音声標本5-16では、これらの音声標本において受信データ信号のビット誤り率BERはB0を上回るので、再構成音声信号rrecは受信音声信号rおよび推定音声信号
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の合成からなる。音声標本17-23では、最新の10個（nt＝10）の標本7-16の受信データ信号のビット誤り率BERがBmを上回り、標本17-22のビット誤り率BERはBmを上回るので、再構成音声信号rrecを推定音声信号
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に等しくする。最後の標本24および25では、音声標本23および24における受信データ信号のビット誤り率BERはレベルBmを下回るが、B0より高いので、再構成音声信号rrecは再び受信音声信号rおよび推定音声信号
0004173198.tif 000061
の合成からなる。
本発明の第一および第二実施例では、品質パラメータqは受信無線信号の測定強度γおよび特定の無線チャネルを介して送信された、受信音声信号rについて算出されたビット誤り率BERに基づくものであった。勿論、第三実施例では、品質パラメータqは、所望の無線信号Cの信号レベルの推定値の干渉信号Iの信号レベルに対する比率C/Iに基づくものであっても良い。そうすれば、比率C/Iと再構成音声信号rrecの関係は実質的に図８に示す関係と同じになる。すなわち、C/Iが減少している場合、係数βを増加させて係数αを相当分減少させ、C/Iが増大している場合、係数αを増加させて係数βをその分減少させる。該当するフローチャートは、基本的に図８と同様である。ステップ810はC/I＞C0となる点が異なり、ステップ825はC/I＞Ctとなる点が異なり、ステップ850はC/I＞Cmとなる点が異なるが、他の特徴については同じ条件が当てはまる。
図１２は受信音声標本rnのシーケンスにおいて受信音声信号rの品質パラメータqが変わる様子を概略的に示す。品質パラメータqの値を図の縦軸で表わし、音声標本rnを図の横軸に沿って示す。時間間隔tAで受信した音声標本rnの品質パラメータqは許容できる音声品質の下限に該当する予め定められたレベルqtより低い。そのため、受信音声信号rはこの時間間隔tAの間ずっと妨害を受ける。
図１３は音声標本rnに対応する時間tで、図１２に示す受信音声信号rの信号振幅Aが変わる様子を概略的に示す。信号振幅Aを図の縦軸で示し、時間tを図の横軸で示す。音声信号rは短い不調和雑音またはパチパチ、カチカチといった音のような妨害に遭い、これらは図中非周期的な増幅された信号振幅Aとして現れる。
図１４は発明の方法に従って再構成した、図１３に示す音声信号rのrrec版の音声標本rnに対応する時間tにおいて信号振幅Aが変わる様子を概略的に示す。信号振幅Aを図の縦軸で示し、時間tを図の横軸で示す。品質パラメータqがレベルqtより低い時間間隔tA中、再構成音声信号は完全にあるいは部分的に、品質パラメータqがqtより高い先行の受信音声信号rの線形予測で得られた推定音声信号
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からなる。それゆえ、推定音声信号
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はおそらく受信音声信号rより品質が良い。その結果、受信音声信号rおよび音声信号の推定形態
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の可変合成からなる再構成音声信号rrecは、受信音声信号rの品質と関係無く、ほぼ均一または一定の品質となる。
図１５は、提案の信号再構成装置240を基地局または移動局においてTRXと称するアナログ送受信装置1500に適用した例を示す。無線受信機1510がアンテナ部からの無線信号RFRを受信し、受信中間周波数信号IFRを出力する。中間周波数信号IFRを復調器1520で復調し、アナログ受信音声信号rAおよびアナログ品質パラメータqAを発生する。標本化および量子化部1530はこれら信号rAおよびqAを標本化して量子化し、提案する方法に従って再構成音声信号rrecを発生する信号再構成部240で使用する対応デジタル信号rおよびqをそれぞれ出力する。
伝送された音声信号Sは中間周波数信号IFTを発生する変調器1540で変調する。信号IFTを無線送信機1550で無線周波数変調および増幅し、アンテナ部への伝送のため無線信号RFTを生成する。
図１６は、提案の信号再構成装置240を、ADPCM符号化音声情報通信を行う基地局または移動局においてTRXと称する送受信装置1600に適用した例を示す。無線受信機1610がアンテナ部からの無線信号RFRを受信し、受信中間周波数信号IFRを出力する。中間周波数信号IFRを復調器1620で復調し、ADPCM符号化基底帯域信号BRおよび品質パラメータqを発信する。ADPCM復号器1630は信号BRを復号し、受信音声信号rを発生する。受信無線信号RFRが極端に低い時に復号器の状態をリセットするために、品質パラメータqをADPCM符号器1630に取り込む。信号rおよびqは最終的に信号再構成部240において提案の方法に従って再構成音声信号rrecを作成するために使用される。
伝送された音声信号Sは、ADPCM符号化基底帯域信号BTを出力するADPCM符号器1640で符号化する。次に、信号BTを、中間周波数信号IFTを発生する変調器1650で変調する。信号IFTを無線送信機1660で無線周波数変調および増幅し、アンテナ部への伝送のため無線信号RFTを生成する。
送受信機1600が作動するシステムでそのような音声符号化が使用されているのであれば、ADPCM復号器1630およびADPCM符号器1640はそれぞれ対数PCM複合機および対数PCM符号機であっても良いことは当然である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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