音声符号化
変換符号化(transform coding)は、何らかの直交変換を用いて入力を複数の周波数領域に分解し、それぞれを符号化する方式である。適応変換符号化(adaptive transform coding)と呼ばれることもある。
使用する直交変換としては、高速な処理が可能で特性の優れた離散コサイン変換(DCT)の一種である変形DCT(modified discrete cosine transform,MDCT)が使用されることが多い。電力密度とマスキング特性など人間の聴覚心理学上の特性から帯域ごとのビット配分を決める。電力密度の低い領域や人間の聴覚特性上聞こえにくい周波数領域に少ないビットを割り当てることで情報を圧縮する。次のサブバンド符号化とよく似た符号化方式だが、帯域分割数などの設定が容易で様々な直交変換を使えるため自由度が高い。
ITU-T G.722.1 annex C は離散コサイン変換によく似た Modulated Lapped Transform(MLT)と呼ばれる変換を使用し、14kHzの帯域幅の高音質の音声信号を24,32,48kbpsに符号化できる。ビデオ会議用に使われる。
時間領域で波形を符号化する技術は最も古くからあるもので、PCM、ADPCMなどがその代表である。圧縮率は低いが、比較的単純に符号化ができ符号化遅延もないため、主に電話回線などの符号化方式として使われてきた。
主要な符号化方式として以下のものがある。
PCM(パルス符号変調)
ADPCM(適応差分PCM)
DM(デルタ変調)
デルタ変調(delta modulation)は差分PCMの1ビット版で、1つ前のサンプル値に対するサンプル値の大小を1ビットで符号化する。デルタ変調を応用したものとして、適応デルタ変調(adaptive delta modulation,ADM)、デルタ・シグマ(Δ-Σ)変調(delta-sigma modulation)などがある。他の方式と比べ単純なハードウェアで音声の符号化ができるため、デジタル回路が高価だった時代に考案された。
適応デルタ変調はデルタ変調の量子化幅を適応的に変化させる方式で、適応差分PCMの1ビット版にあたる。CVSD(continuously variable slope delta modulation)とも呼ばれる。CVSDはMIL-STD-188-113(16kbps と 32kbps)と Federal-Standard 1023(12kbps)の規格があり、アメリカの軍事用戦術無線通信システムで暗号化通信のための音声符号化方式として使用されていた。
デルタ・シグマ変調は、伝送の途中の誤りが後々まで影響するデルタ変調の問題点を解決したもので、デルタ変調でのサンプル値の差分をとる回路と量子化を行う回路との間に積分回路を置いたものである。デルタ・シグマ変調は初期の電子式電話交換機で使われ、またAD変換及びDA変換用LSIの技術として多用されている。
分析合成符号化はボコーダーを用いた符号化、すなわち、人間の声のモデルを元に信号を分析してパラメータ化し符号化を行う方式である。
復号時には、音声の波形ではなく聴感上同じ音声に聞こえるように再合成を行う。CELPなどの音声波形を意識した符号化方式は音声信号を比較的良い音質で符号化できるが、ビットレートが4kbps以下になると音声波形の再現が十分にできず音質が悪化する 。 多くの分析合成符号化方式は、1.2~4kbps程度で音声を符号化でき、方式によっては0.6kbps程度でも了解可能な音声の符号化ができる。分析合成符号化は、低いビットレートでの符号化が必要な無線通信の分野、特に衛星電話や、軍事用戦術無線通信などで使われている。