JPS6342986B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音声信号やビデオ信号等の近接した標
本点間において強い相関を有するデータを効果的
に圧縮できる符号化方式に関する。

一般に音声信号を標本化し、デイジタル化して
記録再生あるいは転送する場合、8KHzのサンプ
リング（標本化）周期にて、一標本化当り8bit程
度の精度で量子化する必要がある。この為には毎
秒64Kbitの精報処理能力を要する。そこで従来
より記録装置の容量節約や通信回線の帯域幅狭域
化を図らんが為に、上記データの圧縮法が種々検
討されている。例えば情報信号から特徴徴パラメ
ータを抽出してデータ圧縮し、このパラメータを
合成することによつて上記情報信号を再生復元す
るPARCOR方式等が注目されている。この方式
によればデータレートを毎秒２〜4Kbit程度に圧
縮できると云う利点を有するが、その反面、特徴
パラメータの抽出および合成に特殊な信号処理を
必要とし、ハードウエア構成が相当複雑化する不
具合があつた。また再生復元情報に自然性や明瞭
性を求めんとすると、その信号処理が極めて複雑
化し、実現性に乏しかつた。しかもこのような信
号処理には多くの乗算計算が必要なので、システ
ム構成が相当大掛りとなる等の問題があつた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、音声信号やビデ
オ信号等の近接した標本点間における相関の強い
信号データ列を自然性を損うことなしに効果的に
圧縮でき、しかも簡易なハードウエア構成によつ
て実現することのできる符号化方式を提供するこ
とにある。

即ち本発明は、音声信号やビデオ信号等は近接
した標本点間において強い相関を有し、且つ周期
性を有すること、同時に雑音に対して選択抽出性
を有することに着目し、これらの性質を効果的に
利用して理論的にも従来方式とは全く異にする新
規なデータ圧縮方式を実現する符号化方式を提供
することにある。

本発明の概要は、従来のように強い相関を有す
る近傍データ要素の群から圧縮データを抽出する
ものとは異なり、複数の無関係な換言すれば強い
相関を持たないデータ列を畳込んでデータの要素
数自体を減少させることによりデータ圧縮を行う
ものであり、従つて従来方式とは根本的に相違し
ている。そしてそのデータの再生に際しては、或
る１つのデータ列に着目したときに他のデータ列
が乱数的に看做され、これによつて上記データ列
が浮上つて見えることを利用してデータの再生復
元が行われる。またこのような信号処理を加減算
のみによつてハードウエア的にも簡易に行い得る
ことを特徴としている。

先ず音声信号やビデオ信号等が有する性質を列
挙してみると、次のように示される。

(a) 近接した標本点間における相関が極めて強
い。

(b) 信号データ列は乱数的ではなく、或る程度の
周期性を有する。

(c) 或る標本点のデータ極性と次の標本的のデー
タ極性とが同じであることが多い。

(d) 復元データが完全なものでなくても、つまり
多少の乱数的雑音を有していても情報再生にさ
ほど不都合を生じることがない。

つまり電子計算機等にあつては、高々、１ビツ
ドのデータ誤りも許容されないことが多いのに比
べ、音声信号等にあつては多少のビツトエラーが
存在しても、その全体から情報を読取ることがで
きるので、何ら支障がない。このことは、例えば
周囲が相当に騒しい環境にあつても、人間は所望
とする音声のみを聞き取ることが可能であること
からも裏付けられる。つまり、所望とする一つの
音声データに着目しさ場合、残る他のデータは雑
音的に作用して上記所望データに対して意味を持
たなくなることになる。しかも上記残る他のデー
タが完全にホワイトノイズ化すれば、その明瞭度
は飛躍的に向上することになる。そこで本発明方
式にあつては、各データ列に対してそれぞれ定め
られた規則に従つて反転処理することによつて、
上記各データ列が相互に乱数となるようにして合
成することによりデータ圧縮している。これによ
り、再生時には所望とする或るデータ列について
のみ着目すれば、他のデータ列は全て乱数的ノイ
ズとして作用するから、ここに上記所望とするデ
ータ列のみを得て、データ再生を行うようにして
いる。またこのとき、乱数的にｎ個のデータを加
えたとしてもその振幅は高々√倍となるだけで
あることを利用して、その信号のＳ／Ｎを確保
し、信号の忠実化および高品質化を図つている。
またデータ処理は、反転処理とその総和演算だけ
でよいから、従来のように乗算器を必要とするこ
となく簡易にハードウエア構成することができ
る。

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第１図は本発明に係る符号化方式を採用して構
成された信号記録装置の概略構成図である。マイ
クロホンより入力された音声信号は低域通過フイ
ルタ１に導かれ、4KHz以上の周波数成分がカツ
トされたのち、Ａ／Ｄ変換器２に入力される。こ
のＡ／Ｄ変換器２は上記音声信号を例えば32KHz
の周期で標本化し、これを８ビツトの２進数デイ
ジタルデータとして出力している。しかして、
Ａ／Ｄ変換器２にて求められた８ビツトデータは
順次差分回路３に入力され、連続した２標本点デ
ータ間の差分値が求められている。この差分処理
は必ずしも必要なことではないが、これによつて
高域部（高音部）が強調され、符号化されたのち
復元再生された信号の明瞭性が増す。

さて、このようにして前処理された信号データ
系列の最初の１秒間分のデータをデータ列Ａ
（A₁，A₂〜A₃₂₀₀₀）、次の１秒間分のデータをデ
ータ列Ｂ（B₁，B₂〜B₃₂₀₀₀）、同様にして順次デー
タ列Ｃ，Ｄとして区分する。尚、ここでは４つの
データ列に区分した列につき説明するが、実際に
は４以上の多重度を実現するようにデータ列を区
分した方が再生復元される信号の品質確保の点で
好ましい。またこのように区分された各信号デー
タ列間の相関は、それぞれ１秒間のずれを有する
ことから、殆んどない、つまり極めて小さいと考
えることができる。

しかしてこのように区分された各信号データ列
は、加減算回路４に導かれ、各列に対応して定め
られた規則に従つて反転処理されて、他の信号デ
ータ列にたし込まれる。即ち、第１の記憶装置５
には、上記規則に従つて先に反転処理された信号
データ列が書込まれており、これに上述した新た
な信号データ列がその定められた規則に従つてた
し込まれている。そして、この第１の記憶装置５
と加減算回路４とにより、所定の規則に従つて信
号データ列Ａ〜Ｄに亘つて加減算された総和デー
タからなる和信号データ列Ｓが第２の記憶装置６
に格納されるようになつている。尚、これら各部
の一連した動作制御は制御回路７により行われて
いる。

さて、上記した加減算回路４および第１の記憶
装置５による信号データ列の総和処理は、例えば
次のような手順により行われる。差分回路３が出
力する基本信号データ列は第２図ａの如く示され
る。制御回路７は、その内蔵されたカウンタによ
り、上記データ列の要素を例えば32000個計数す
る都度キヤリー信号を発生し、これによつてデー
タ列を前述したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つに区切ると
共に、このキヤリー信号を計数し、その計数値
０，１，２，３からどの信号データ列であるかを
識別している。またこの識別信号データ列に対応
して、各信号データ列間で相互に異ならせて定め
られた規則に従う。反転・非反転の反転制御信号
を発生している。この反転制御信号は、例えば信
号データ列Ａに対しては、全“１”なる非反転
（算の制御形態を示すもの）であつて、また信号
データ列Ｂに対しては非反転（加算）と反転（減
算）とが交互に繰返えされる制御形態を示すもの
となつている。また信号データ列Ｃに対しては、
加算・加算・減算・減算なる２つおきに加算と減
算とが繰返えされる制御形態、更に信号データ列
Ｄに対しては信号データ列Ｃと同様に２つおきに
加算と減算とが繰返えされるが、その繰返しが１
タイミングずれている制御形態をそれぞれ示すも
のとなつている。これらの加算と減算の制御情報
は「＋」，「−」として、また「０」「１」として
前記制御回路７のシフトレジスタにその対応信号
データ列に応じて格納される。しかしてこれらの
制御規則に従つて、先ず信号データ列Ａの各要素
がそそれぞれ加算データとして第１の記憶装置５
に書込まれる。この信号データ列Ａの各要素の書
込みが終了したのち、今度は信号データ列Ｂが加
減算回路４に入力され、これらの信号要素は順次
加算・減算を交互に繰返して前記第１の記憶装置
５に格納された対応標本化点の要素にそれぞれた
し込まれる。以後、信号データ列Ｃ，Ｄについて
も同様にして、その規則に従つてデータのたし込
みが行われることになる。これによつて、各信号
データ列の標本化点ｉの各要素は Si＝Ai±Bi±Ci±Di として、各データ列の規則に応じて第２図ｂに示
す如くたし込まれることになる。しかしてその総
和Siは、第２図ｃに示すように和信号データ列を
構成し、前記４つの信号データ列を圧縮したもの
となる。そして、この和信号データ列Ｓは第２の
記憶装置６に書込まれ、ここにデータが圧縮され
た状態で記録されることになる。尚、この場合、
上記総和値の極性符号のみを和信号データ列とし
て抽出するようにしてもよい。

このようにして４秒間に亘る標本化データが４
つの信号データ列に区分されたのち、所定の規則
に従つてたし込み処理されてデータ圧縮され、こ
れが順次繰返えされる。

ところで、このようにしてデータ圧縮された和
信号データ列Ｓから各信号データ列Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄは次のようにして再生復元される。尚、この場
合、データ列Ｓの各要素は、データ列Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄの要素の総和10ビツトとして考えてもよい
が、その極性符号１ビツトであつても勿論良い。
上記データ圧縮により生成された和信号データ列
Ｓは、そのデータ再生に際してデータ列Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄに対応して４回用いられる。今、信号デー
タ列Ａの再生に際しては、先のたし込みに用いら
れた規則に従う制御情報が全く同様に利用され、
その極性符号を和信号データ列Ｓの各要素に掛け
合せることによつて行われる。具体的には要素Si
と制御信号との排他的論理和を用いることによつ
て実現される。従つて今、要素Siが正なるとき、
符号が「＋」ならば「０」としてデータ再生さ
れ、逆に「−」ならば「１」としてデータ再生さ
れる。また要素Siが負なるとき、符号「＋」なら
ば「１」として、「−」ならば「０」としてデー
タ再生される。また同様にして信号データ列Ｂ，
Ｃ，Ｄについても、そのデータ列に対応した規則
に従う極性符号の掛合せによつて、第２図ｄに示
す如くデータ再生される。

即ち、第２図ｂに示されるデータ配列から明ら
かなように、或る信号データ列に着目してみれ
ば、そして、その信号データ列に反転処理に用い
た極性符号を掛け合せれば、所望とするデータ列
の各要素が全て正のデータ列で示されるのに対
し、他のデータ列は周期的ではあるが、そのデー
タ列内において極性を反転させている。従つてこ
の極性反転によりそのデータ成分は本来有するべ
き情報を失ない、雑音化されていると看做すこと
ができる。この結果、情報をそのままの形態で示
しているデータ列は上記の着目した信号データ列
だけとなり、他のデータ列に比して浮き出た状態
にある。従つて和信号データ列を反転処理すれ
ば、この反転処理に用いたデータ列の情報を強く
反映した情報をここに得ることが可能となり、こ
こにデータの復元再生が行われることになる。

尚、実際のデータ再生に際しては、上述した復
元処理によつて得られた情報要素を更にその隣接
標本点間で平均化処理する等すれば、より精度の
高い、つまり雑音レベルの小さい情報再生が可能
となる。

以上のように本方式によれば、音声信号やビデ
オ信号等が有する性質を積極的に利用し、相関の
弱い信号データ列間の各要素を、相互に異つた規
則に従つて反転処理してその総和を求めてデータ
圧縮を行うことにより、極めて簡易に、且つ効果
的にその目的を達成することができる。しかもそ
のデータ再生を他のデータ列を雑音化して特徴抽
出するので、元の情報を強く反映した情報として
得ることができ、その効果は絶大である。

ところで、このようなデータ圧縮に用いる反転
処理規則は、一般的に直交行列の各要素の列とし
て簡易に与えることができる。例えばアダマール
行列Ｈの要素Hi.jとして与えればよい。つまり、
ｎ個の信号データ列を区分設定した場合、ｎ次の
アダマール行列の各要素を用い、これを巡回的に
読出して反転処理の制御信号とすればよい。例え
ば８次の場合には ＋＋＋＋＋＋＋＋ ＋−＋−＋−＋− ＋＋−−＋＋−− ＋−−＋＋−−＋ ＋＋＋＋−−−− ＋−＋−−＋−＋ ＋＋−−−−＋＋ ＋−−＋−＋＋− なるアダマール行列の各列要素を各信号データ列
に対応した反転処理制御情報とすればよい。また
2^m+1次の場合には2^m次のアダマール行列をＨ（2^m）
としたとき 〔Ｈ（2^m+1）〕＝Ｈ（2^m） Ｈ（2^m） Ｈ（2^m） −Ｈ（2^m） なる行列で示される各要素を用いるようにすれば
よい。

以上、実施例により本発明方式を明らかにした
ように、本発明によれば基本的に加減算処理だけ
によつて作要のデータ圧縮を行い得る。またこの
ようにしてデータ圧縮したのち、これを復元再生
した場合、原信号を強く反映し、十分再生能力が
ある。

今、Ｓを11bitで計算する場合を例に上げると、
音声信号は基本的に緩やかな波形変化を示すこと
から、ゆつくりとした信号変化分（ローマ文字）
と早く変化する信号分（ギリシヤ文字）とに分け
て、例えば Ａ＝a₁＋α₁（a₁≫α₁） として示すものとなる。しかして再生された要素
をその隣接標本化点の再生要素との間で平均化
し、これを再生データA′とすると A′＝１／４（S₁＋S₂＋S₃＋S₄） として示される。但し加減算符号は前述した所定
の規則に従うものである。そこで、この式の右辺
に着目すると、次のように変形される。

１／４（S₁＋S₂＋S₃＋S₄）＝１／４（A₁＋B₁＋C₁＋D₁
）＋１／４（A₂−B₂＋C₂−D₂） ＋１／４（A₃＋B₃−C₃−D₃）＋１／４（A₄＋B₄−C₄
＋D₄）＝１／４（A₁＋A₂＋A₃＋A₄） ＋１／４（B₁−B₂＋B₃−B₄）＋１／４（C₁＋C₂−C₃
−C₄）＋１／４（D₁−D₂−D₃＋D₄） ＝１／４（4a₁＋α₁＋α₂＋α₃＋α₄）＋１／４（
β₁−β₂＋β₃−β₄） ＋１／４（γ₁＋γ₂−γ₃−γ₄）＋１／４（δ₁−
δ₂−δ₃＋δ₄）＝a₁＋α₁＋（誤差分） この誤差分Δは、小さい交流成分がランダムに
プラス，マイナスされたものであるので殆んど無
視できる。従つてここに精度の良い再生データが
得られることになる。

一方、本方式を実行するに要する所要処理時間
は、１つの標本化値に対して、 (a) 記憶装置からの読出し (b) 加減算処理 (c) 記憶装置への書込み の３動作であり、一般に各動作を1μsecで行い得
る。また標本化値の周期は30μsecであるから、十
分にリアルタイム処理することが可能である。こ
の点従来のPARCOR方式にあつては、例えば
100μsecの間に数10回の乗算および加算を行わね
ばならない。これに対比すれば本方式は極めて簡
易に回路構成することができ、またデータ圧縮度
も極めて高いことが判る。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるもの
ではない。実施例では専用のハードウエアを構成
してデータ圧縮を行つているが、これを電子計算
機を用いてソフトウエア的に行うようにしても良
い。また必ずしも記憶装置に信号データ列を格納
してデータ圧縮処理する必要はない。例えば４系
統の独立した音声信号を第３図に示す如く入力
し、これをＡ／Ｄ変換器１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１１ｄを介したのち、相互に異つた制御規制
を有する極性反転回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，
１２ｄに導き、その出力を加算回路１３に入力し
て、４系統の独立した信号、つまり4chの信号を
多重化合成するようにしてもよい。また上記反転
処理は極性反転のみならず、搬送波の振幅変調に
適用することも可能である。このようにすれば電
波の多重通信が可能となり、この場合一つの搬送
波毎に１個のＳを対応させてもよいし、複数の搬
送波毎に１個の振幅Ｓを対応させてもよい。また
このようにすれば従来方式に比較して、ガード用
の周波数帯を設定する必要がない上、極めて高い
多重度を実現できる。またビデオ信号にあつて
は、離間した走査線間や異つたフレーム間、全く
別個な画信号間で多重化するようにすればよい。
要するに本発明はその要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方式を採用して構成
された信号記録装置の概略構成図、第２図ａ〜ｄ
は本方式の作用を説明する為の図、第３図は他の
実施例を示す装置構成図である。 １……低域通過フイルタ、２……Ａ／Ｄ変換
器、３……差分回路、４……加減算回路、５，６
……記憶装置、７……制御回路、１１ａ，１１
ｂ，１１ｃ，１１ｄ……Ａ／Ｄ変換器、１２ａ，
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ……極性反転回路、１３
……加算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 連続した入力信号をサンプリングして所定の
   時間間隔で区切り、標本化された複数の信号デー
   タ列を生成する手段と、これら信号データ列の各
   信号要素を各列毎にアダマール行列の異なる列の
   要素に従つて反転／非反転処理する手段と、前記
   反転／非反転処理された各信号データ列の行毎の
   和を求め和信号データ列を生成する手段と、この
   和信号データ列を出力する出力手段と、この出力
   手段から出力された和信号データ列が入力される
   入力手段と、この入力手段から入力された和信号
   データ列の各信号要素と上記反転／非反転処理に
   用いたアダマール行列の各列毎の信号要素とを各
   行毎に掛け合わせ、和信号データ列の中から上記
   信号データ列を抽出してデータを再生する再生手
   段とを具備して成ることを特徴とする符号化方
   式。 ２ 前記和信号データ列は、各総和要素の極性符
   号により構成されるものである特許請求の範囲第
   １項記載の符号化方式。 ３ 連続した入力信号をサンプリングして所定の
   時間間隔で区切り、標本化された複数の信号デー
   タ列を生成する手段と、これら信号データ列の各
   信号要素を各列毎に任意の２列の積の総和がほぼ
   零となる行列の異なる列の要素に従つて反転／非
   反転処理する手段と、前記反転／非反転処理され
   た各信号データ列の行毎の和を求め和信号データ
   列を生成する手段と、この和信号データ列を出力
   する出力手段と、この出力手段から出力された和
   信号データ列が入力される入力手段と、この入力
   手段から入力された和信号データ列の各信号要素
   と上記反転／非反転処理に用いた任意の２列の積
   の総和がほぼ零となる行列の各列毎の信号要素と
   を各行毎に掛け合わせ、和信号データ列の中から
   上記信号データ列を抽出してデータを再生する再
   生手段とを具備して成ることを特徴とする符号化
   方式。 ４ 前記和信号データ列は、各総和要素の極性符
   号により構成されるものである特許請求の範囲第
   ３項記載の符号化方式。