Mixed Excitation Linear Prediction

MELPは、1996年に Federal-Standard 1015の代替として選ばれた低ビットレートの音声符号化方式で、2.4kbpsで音声を符号化できる。MELPeは 2.4kbps MELP をさらに改良したもので、騒音が多い環境での特性が優れ、0.6、1.2、2.4kbpsで音声を符号化できる。

2.4kbps MELP は最初、米軍用のMIL-STD-3005 で規格化された。その拡張版である MELPe は米軍/NATOの共通規格として STANAG4591 で規格化されている。主に軍用の暗号化戦術無線通信システムや政府用の暗号化電話のための音声符号化方式として使用されている。

1. 概要
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MELP はアメリカ国防総省が中心となって規格化を行った低ビットレートの音声符号化方式で、Federal-Standard 1015の後継として規格化された。2.4kbps MELP符号化方式の選択と規格化は DoD Digital Voice Processor Consortiumが1993年から1997年にかけて行い、MIL-STD-3005 となった。2.4kbps MELPは Federal-Standard 1015より優れており、 Federal-Standard 1016と同等か優れた音質で、騒音の多い環境での性能が優れていた。

MIL-STD-3005 はその後、雑音抑制の前処理追加などの拡張が行われると共に 1.2kbps での符号化がサポートされ、MELPeとなった。軍用車両のハンヴィーやCH-47ヘリコプターの騒音環境での評価では、2.4kbps MELPe はオリジナルの 2.4kbps MELP より優れており、1.2kbps MELPe も 2.4bps MELP に近く、Federal-Standard 1015より優れた音質だった。1.2kbps/2.4 kbps MELPe は NATO で様々な評価が行われ、2002年に NATO の規格としても採用され STANAG4591 となった。

その後、2005年には STANAG4591 に 0.6kbpsでの符号化が追加され、MIL-STD-3005 は STANAG4591 に統合されて、米軍/NATOの共通規格となっている。

MELPe は0.6、1.2、2.4kbpsの音声符号化をサポートし、2.4kbps MELPe の性能は Federal-Standard 1016より優れている。ビットレートが下がるにつれて性能も低下するが、0.6kbps MELPe でも Federal-Standard 1015より性能が優れている。

2. アルゴリズム
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2.1. MELP
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MELP のアルゴリズムは、線形予測符号を用いたLPCボコーダーに以下のような拡張を加え、性能の向上を行ったものである。

Mixed Excitation
Aperiodic Pulses
Adaptive Spectral Enhancement
Pulse Dispersion Filter
Fourier Series Modeling人間の声は、声道の周波数選択特性と音源である声帯などの音の特性や有声・無声の区別でモデル化できる。有声時、声帯からは特定の周波数のパルス状の波形の並びで表されるブザーのような音が生成され、無声時には口腔、舌、歯、唇などの調音器官からスペクトルの広い雑音が生成される。人間の声の有声・無声の区別は単純ではなく、有声音にも周期的な成分と雑音成分とが混じっていることも多い。

Mixed Excitationはこの考え方に基づき、声帯音にあたる励振信号をパルス列と雑音との組み合わせでモデル化する方法で、その比率は周波数ごとに変える。MELPでは 0-500Hz、500-1000Hz、1000-2000Hz、2000-3000Hz、3000-4000Hz の5つのバンドに分け有声・無声の判定を行っている。Mixed Excitation の方法はLPCボコーダーより自然な音質を実現でき、また騒音による音質の低下がLPCボコーダーと比べ少ないという特徴がある。

Aperiodic Pulsesは無声音と有声音の中間の状態で現れるトーン性の歪みを減らすための情報で、 MELP では1ビットのフラグで表現される。無声音と有声音の中間の状態ではピッチ周波数を非周期的に変動させ、不自然な歪みを減らしている。

Adaptive Spectral Enhancementは生成される音声がフォルマント周波数の領域で自然に聞こえるようにするためのもので、フォルマント周波数を強調するように働く。

Pulse Dispersion Filterはフォルマントを含まない領域での音質の改善を行うためのフィルタである。

Fourier Series Modelingは有声時の声帯音に当たる励振信号をフーリエ変換の係数で表現する方法である。線形予測の残差信号にピッチ周期に同期した離散フーリエ変換を行い、その係数のピーク値の列でモデル化する。フーリエ強度はベクトル量子化により符号化される。単純で固定的な波形を用いるのに比べ、より自然な音声を生成できる。

符号化は 22.5ms のフレーム単位に行い、1フレーム当たり54ビットに符号化される。音声全体のスペクトル情報は10次の線形予測係数として抽出され、線スペクトル対に変換した後にマルチステージベクトル量子化される。

2.2. MELPe
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MELPe では、MELP のアルゴリズムに加え、雑音抑制の前処理追加などの拡張が行われ、騒音の多い環境での音質が向上している。雑音抑制のアルゴリズムとしては、MMSE-STSA法を対数スペクトルに拡張したものが用いられている。

1.2kbps MELPe は、3フレームをひとまとまりのスーパーフレームとし、フレーム間のパラメータの相関を利用して線スペクトル対などがベクトル量子化やコードブックによりまとめて符号化され、ビット数の削減が行われる。まとめて処理する単位が長くなったため、有声時のピッチ周波数の誤差を減らすために音声信号の先読み長が MELP より129サンプル長くなった。処理フレーム数が増えたことと先読み長の変更により符号化遅延時間は MELP での 42.625ms から 103.75ms になった。

0.6kbps MELPe は、4フレームがスーパーフレームとして扱われ、各種パラメータがさらに効率的にベクトル量子化される。量子化の方法も複数用意され、スーパーフレーム内の有声・無声のパターンによって切り替えを行う。有声時のピッチ周波数の変化を補間し滑らかにする機能も強化された。フレーム長は 22.5ms のままで変わらない。またフーリエ級数モデリングでのフーリエ強度や非周期パルスの情報は使用されない。符号化対象となるフレーム数が 1.2kbps MELPe より1フレーム多いため、0.6kbps MELPe の符号化遅延時間は 126.25ms である。

3. 圧縮率
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MELPe は圧縮率が非常に高い。同じ 8   kHz のサンプリング周波数の音声入力に対し、64 kbit/s μ-Law G.711を基準とした MELPe の圧縮比とフレーム長などのパラメータをまとめると以下の表のようになる。

{| class="wikitable"|- ! ビットレート!! G.711に対する圧縮比 !! フレーム長 !! フレーム周期 |- | 2400 bps ||

26.7倍 || 54 ビット|| 22.5 ms |- | 1200 bps || 53.3倍 || 54 ビット|| 67.5 ms |- | 600 bps || 106.7倍 || 54 ビット|| 90 ms |} 多くの低ビットレート音声符号化方式と同様、圧縮率が高くなるに従って音質は低下し、ノイズなどによるパケットロスが発生した場合の影響も大きくなる。

4. 歴史
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MELP の基本的な考え方は、当時ジョージア工科大学の学生だったアラン・マクレーが1992年から1995年にかけて発表した。その後アトランタシグナルプロセッサーに商業用にライセンスされ、テキサス・インスツルメンツが中心となって 2.4kbps MELP のインプリメントが行われた。これが MIL-STD-3005 となった。

1.2kbps/2.4kbps MELPe はシグナルコムが中心となり1998年頃から2001年頃にかけて開発された。雑音抑制フロントエンドのアルゴリズムには AT&T の技術が使われた。これは NATO の STANAG4591 として2002年に規格化された。

0.6kbps MELPe の仕様はフランスのタレス・グループにより2005年に STANAG4591 に追加された。

5. 知的財産権
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MELPe とその派生コーデックについて、以下の企業を含むいくつかの企業が知的財産権を所有している。テキサス・インスツルメンツ、マイクロソフト、AT&Tなどである。

MELP や MELPe はアメリカ国防総省やNATOが中心になって研究・開発の援助を行ってきたため、アメリカ国防総省やNATO向けのアプリケーションのみロイヤリティは無償となっている。

6. 脚注
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7. 参考文献
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J. Benesty, M. M. Sondhi, Y. Huang . //Springer Handbook of Speech Processing//. Springer, 2007. ISBN 978-3540491255.
J. Benesty, S. Makino, J. Chen . //Speech Enhancement//. Springer, 2005. ISBN 978-3540240396.
L. Supplee, R. Cohn, J. Collura, A. McCree. //MELP: The New Federal Standard at 2400 Bps//. IEEE icassp, vol.2, pp.1591. 1997.
J. S. Collura. //Noise Pre-Processing for Tactical Secure Voice Communications//. //Tactical Mobile Communications//, RTO-MP-26. NATO RTO. Nov. 1999. ISBN 92-837-1022-3
J.S. Collura, D.F. Brandt, D.J. Rahikka. //The 1.2kbps/2.4 kbps MELP speech coding suite with integrated noise pre-processing//. IEEE Mil. Commun.Conf. Proc., Vol.2, pp.1449-1453. 1999.
M. D. Street, J.S. Collura. //Interoperable Voice Communications: Test and Selection of STANAG 4591//. RTO-MP-065. NATO RTO. 2001.
Department of Defense. //MIL-STD-3005// //Analog-to-Digital Conversion of Voice by 2,400 bit/second Mixed Excitation Linear Prediction //. United States Department of Defense. Dec. 1999.
Department of Defense. //MIL-STD-3005 NOTICE 1//. United States Department of Defense. Feb. 2008.
NATO. //STANAG 4591 C3, 600 BIT/S, 1200 BIT/S AND 2400 BIT/S NATO INTEROPERABLE NARROW BAND VOICE CODER//. NATO Standardization Agency. 3, Oct. 2008.

8. 関連項目
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音声符号化
コーデック