JPH0435123A - ディジタル信号符号化装置 - Google Patents
ディジタル信号符号化装置Info
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- JPH0435123A JPH0435123A JP2133980A JP13398090A JPH0435123A JP H0435123 A JPH0435123 A JP H0435123A JP 2133980 A JP2133980 A JP 2133980A JP 13398090 A JP13398090 A JP 13398090A JP H0435123 A JPH0435123 A JP H0435123A
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- H04B1/667—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission for reducing bandwidth of signals; for improving efficiency of transmission using a division in frequency subbands
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
ル信号符号化装置に関するものである。
ンド幅が広くなるように複数帯域に分割し、各バンド毎
のエネルギに基づいた第1の許容ノイズレベルと、注目
バンドの時間的に隣接する信号のエネルギに基づいた第
2の許容ノイズレベルとを設定し、これらを合成して得
られた出力と各バンドのエネルギとの差のレベルに応じ
たビット数で各バンドの量子化を行うことにより、音質
劣化を最小限にしてピットリダクション量の増大を図る
ことができるディジタル信号符号化装置を提供するもの
である。
オーティオ、音声等の入力信号を時間軸又は周波数軸で
複数のヂャン不ルに分割すると共に、各ヂャン不ル毎の
ビット数を適応的に割当てるヒツトアロケーション(ヒ
ツト害1]当て)による符号化技術がある。例えば、オ
ーディオ信号等の上記ヒント割当てによる希号化技術に
は、時間軸上のオーディオ信号等を複数の周波数帯域に
分割して符号化する帯域分割符号化(サブ・バンド・コ
ーディング:5BC)や、時間軸の信号を周波数軸上の
信号に変換(直交変換)して複数の周波数帯域に分割し
各帯域毎で適応的に符号化するいわゆる適応変換符号化
(ATC)、或いは、上記SBCといわゆる適応予測符
号化(APC)とを組み合わせ、時間軸の信号を帯域分
割して各帯域信号をベースバンド(低域)に変換した後
複数次の線形予測分析を行って予測符号化するいわゆる
適応ビット割当て(APC−AB)等の符号化技術があ
る。
におりiるいわゆるマスキング特性を考慮した高能率符
号化の手法か盛んに試みられている。
マスクされて聞こえなくなる現象をいうものであり、こ
のマスキング効果には、時間軸上のオーディオ信号に対
するマスキング効果と周波数軸上の信号に対するマスキ
ング効果とがある。
果について述べる。例えば、ある周波数f5の正弦波W
、があった場合、人間の聴覚によるマスキング効果を表
現するマスキングスペクトル(マスキングカーブ)MS
は、第9図のようになり、このマスキングスペクトルM
Sによって、図中斜線部で示す部分かマスキングされる
ごとになる。すなわち、言亥マスキングスペクトルMS
内にノイズがあったとしても聞こえなくなるため、実際
のオーディオ信号では、該マスキングスペクトルMS内
のノイズは許容可能となる。このようなことから、上記
正弦波WSの場合の許容可能なノイズレベルは、第9図
中jで示ずレベル以下のレベルとなる。また、このとき
、当該正弦波w3の周波数r5でマスキングの効果が最
も高く、該正弦波W、の周波数f、、から離れるにした
がってマスキングの効果が低くなる。
グ効果には、テンポラルマスキング効果と同時刻マスキ
ング効果等がある。上記同時刻マスキング効果とは、あ
る大きな音と同時刻に発止する小さな音(或いはノイズ
)が当該大きな音によってマスクされて聞こえなくなる
ような効果であり、上記テンポラルマスキング効果とは
、第10図に示すように、大きな音(図中大レベル信号
部C)の時間的な前後の小さな音(ノイズ)が、該大き
な音にマスクされて聞こえなくなるような効果である。
時間的に後方のマスキングはフォワードマスキングと呼
ばれ、また、時間的に前方のマスキングはハックワード
マスキングと呼ばれている。また、J亥テンポラルマス
キングにおいては、人間の聴覚特性から、第10図中フ
ォヮドマスキングFMの効果は長時間(例えば100m
5ec程度)効くようになっているのに対し、ハックワ
ードマスキングBMの効果は短時間(例えば5 m5e
c程度)となっている。更に、上記マスキング効果のレ
ベル(マスキング量)は、フォワードマスキングが20
dB程度で、ハックワードマスキングが30dB程度と
なっている。
を高める(ピントリダクション量を増加させる)ことが
望まれているが、一般に、上述のようなマスキング効果
を利用してビット圧縮を行う高能率符号化においては、
上記周波数軸」二の信号に対するマスキング効果或いは
時間軸上の信号に対するマスキング効果の何れか一方の
みの利用に止まっており、両者のマスキング効果を有効
に利用することがなされていない。
たものであり、周波数軸上の信号に対するマスキング効
果と時間軸」二の信号に対するマスキング効果の両者を
有効に利用することで、よりビットリダクション量を増
大させる(ビットレートを低くする)ことができるよう
になると共に、低ピントレートであっても音質劣化を最
小限に抑えることができるディジタル信号符号化装置を
提供することを目的とするものである。
成するために提案されたものであり、入力ディジタル信
号を複数の周波数帯域に分割すると共に、高い周波数帯
域はどバンド幅を広く選定し、当該各バンド毎のエネル
ギに基づいて各バンド単位の第1の許容ノイズレベルを
設定する第1のノイズレベル設定手段と、量子化すべき
注目バンドの時間的に隣接する信号のエネルギに基づい
て第2の許容ノイズレベルを設定する第2のノイズレベ
ル設定手段と、上記第1及び第2のノイズレベル設定手
段の出力許容ノイズレベルを合成する合成手段と、上記
各バンドのエネルギと上記合成手段の出力の差のレベル
に応したビット数で上記各バンドの成分を量子化する量
子化手段とを有してなるものである。
て、第1のノイズレベル設定手段によって周波数軸上の
マスキングを考慮した許容ノイズレベルを設定すると共
に、第2のノイズレベル設定手段によって注目バンドの
時間的に隣接する信号でのテンポラルマスキングを考慮
した許容ノイズレベルを設定している。
がら説明する。
ように、入力ディジタル信号を複数の周波数帯域に分割
すると共に、高い周波数帯域ほどバンド幅を広く選定し
、当該各バンド毎のエネルギに基づいて各バンド単位の
第1の許容ノイズレベルを設定する第1のノイズレベル
設定手段としての帯域分割回路13.総和検出回路14
及びフィルタ回路15から合成回路18までの各構成要
素と、量子化すべき注目バンドの時間的に隣接する信号
のエネルギに基づいて第2の許容ノイズレベルを設定す
る第2のノイズレベル設定手段としてのメモリ51.5
2及び係数乗算器53,54゜合成回路55と、上記第
1及び第2のノイズレベル設定手段の出力許容ノイズレ
ベルを合成する合成手段である合成回路56と、上記各
バンドのエネルギと上記合成回路56の出力の差のレベ
ルに応じたビット数で上記各バンドの成分を量子化する
量子化回路24とを有してなるものである。すなわち、
本実施例装置では、量子化すべき注目バンドの信号に対
して、第1のノイズレベル設定手段によって周波数軸上
のマスキング(及び最小可聴カーブ)を考慮した第1の
許容ノイズレベルを設定すると共に、第2のノイズレベ
ル設定手段によって注目バンドの時間的に隣接する信号
でのテンポラルマスキングを考慮した第2の許容ノイズ
レベルを設定するようにしている。上記量子化回路24
からの量子化出力は、バッファメモリ25を介して本実
施例のディジタル信号符号化装置の出力端子2から出力
されるようになる。
高速フーリエ変換(FFT)して時間軸の信号を周波数
軸に変換した後、符号化(再量子化)を行ういわゆる適
応変換符号化(ATC)を適用したものである。すなわ
ち第1図において、入力端子1には、例えばオーディオ
信号が供給されており、この時間軸上のオーディオ信号
が高速フーリエ変換(FFT)回路11に伝送される。
ディオ信号が所定時間(例えば512サンプル)毎に周
波数軸上の信号に変換されることで、実数成分値Reと
虚数成分値ImとからなるFFT係数が得られる。これ
らFFT係数は振幅位相情報発生回路12に伝送され、
該振幅位相情報発生回路12では上記実数成分値Reと
虚数成分値lmとから振幅値Δmと位相値とが得られて
、該振幅値Amの情報が本実施例装置への入力ディジク
ル信号となっている。すなわち、一般に人間の聴覚は周
波数領域の振幅(パワー)には敏感であるが、位相につ
いてはかなり鈍感であるため、上記振幅位相情報発生回
路12の出力から上記振幅(l!Amのみを取り出し、
これを上記入力ディジタル信号としている。
信号は、帯域分割回路13に伝送される。
入力ディジタル信号を例えばいわゆる臨界帯域幅(クリ
ティカルバンド)に分割している。
析能力)を考慮したものであり、例えばO〜24kll
zを24バンドに分け、高い周波数帯域はどバンド幅を
広く選定しているものである。すなわち、人間の聴覚は
、一種のバントパスフィルタのような特性を有していて
、この各フィルタによって分けられたバンドを臨界帯域
と呼んでいる。
リティカルバンドのパン1−数を12バンド(Bl〜B
+2)で表現している。
た各バンド(例えば24バンド)毎の−に起振幅値Am
は、それぞれ」―記総和検出回路14に伝送される。当
該総和検出回路14では、」二記各バンド毎のエネルギ
(各バンドでのスペクトル強度)が、各バンド内のそれ
ぞれの振幅値A mの総和(振幅値Amのピーク又は平
均或いはエネルギ総和)をとることにより求められる。
ペク1〜ルは、一般にハークスペクトルと呼ばれ、この
各バンドのハークスペクトルSBは例えば第3図に示す
よ・うになる。
る影響を考慮するため、上記ハークスペクトルSBに所
定の重みづけの関数を畳込む(コンボリューション)。
ークスペクトルSBの各個は、例えば512サンプルず
つの上記総和検出回路14の出力の書込/読出をするメ
モリ5]を介してフィルタ回路15に送られる。該フィ
ルタ回路15は、例えば第4図に示すように、入力デー
タを順次遅延させる遅延(z−’)素子・・101□−
2〜101.、、・・と、各遅延素子からの出ツノにフ
ィルタ係数(重みづけの関数)を乗算する乗算器・・1
02 m−3〜102.。3・・と、総和加算器104
とから構成されるものである。この時上記各乗算器10
2□−3〜1021.3において、例えば乗算器102
.、てフィルタ係数0.0000086を、乗算器10
2.I−2でフィルタ係数0.0019を、乗算器10
2゜−1でフィルタ係数0.15を、乗算器102、で
フィルタ係数1を、乗算器102.I。
ィルタ係数0.06を、乗算器102イ。3でフィルタ
係数0.007を各遅延素子の出力に乗算することによ
り、−■−記ハークスペクトルSBの畳込み処理か行わ
れる。該畳込め処理により、第3図中点線で示す部分の
総和(総和加算器104での加算)がとられ、出力端子
105から出力される。
クトル(許容可能なノイズスペクI・ル)を算出する場
合の第1の許容ノイズレベルに対応するレベルαにおい
ては、このレベルαが小さいと周波数軸上の信号に対す
るマスキングスペクトル(マスキングカーブ)が下降す
ることになり、結果として量子化回路24の量子化の際
に割り当てるビット数を増やさなければならないように
なる。逆に、上記レベルαが大きいとマスキングスペク
トルが上昇することになり、結果として量子化の際の割
り当てるビット数を減少することができるようになる。
とは、後述するように逆コンボリューション処理を行う
ことによってクリティカルバンドの各バンド毎の」二記
第1の許容ノイズレベルとなるようなレベルである。ま
た、般にオーディオ信号等では、高域部分のスペクトル
強度(エネルギ)が小さい。したかって本実施例におい
ては、これらのことを考慮して、エネルギの小さい高域
にいく程、上記レベルαを大きくし、該高域部分のビッ
ト割当て数を減らすようにしている。このようなことか
ら、上記第1のノイズレベル設定手段では高い周波数程
同−のエネルギに対する上記レベルαを高く設定してい
る。
ベルに対応するレベルαを算出し、該レベルαが高域程
高くなるように制御している。このため、上記フィルタ
回路15の出力は引算器16に送られる。該引算器16
は、上記畳込んだ領域でのレベルαを求めるものである
。ここで、上記引算器16には、上記レベルαを求める
ための許容関数(マスキングレベルを表現する関数)が
供給される。該許容関数を増減させることで上記レベル
αの制御を行っている。該許容関数は、関数発生回路2
9から供給されている。
リティカルバンドのバンドの低域から順に与えられる番
号をiとすると、第(1)式で求めることができる。
式において、n、aは定数でa>OlSは畳込み処理後
のハークスペクトルの強度であり、第(1)式中(n−
ai)が許容関数となる。ここで、上述した様に、エネ
ルギの少ない高域からビット数を減らず方が全体のビッ
ト数削減に有利であるため、本実施例ではn=38.a
=1としており、この時の音質劣化はなく、良好な符号
化が行えた。
は、割算器17に伝送される。当該割算器17では、上
記畳込み処理された領域でのレベルαを逆コンボリュー
ションするためのものである。したがって、この逆コン
ボリューション処理を行うことにより、上記レベルαか
ら、マスキングスペクトルが得られるようになる。すな
わち、このマスキングスペクトルが各バンド毎に求めら
れた許容ノイズスペクトルとなる。なお、上記逆コンボ
リューション処理は、複雑な演算を必要とするが、本実
施例では簡略化した割算器17を用いて逆コンボリュー
ションを行っている。
合成回路56を介して減算器19に供給される。ここで
、当該減算器19には、上記総和検出回路14の出力す
なわち前述の総和検出回路14からのハークスペクトル
SBが、遅延回路21を介して供給されている。したが
って、この減算器19で上記マスキングスペクトルとハ
ークスペクトルSBとの減算演算が行われることで、第
5図に示すように、上記ハークスペクトルSBは、該マ
スキングスペクトルMSの各レベルで示ずレベル以下が
マスキングされることになる。
24に供給されている。該量子化回路24では、この減
算器19の出力に応じた割当てビット数で、遅延回路2
3を介して供給されている振幅値Amの量子化を行って
いる。すなわち換言すれば、該量子化回路24では、上
記クリティカルバンドの各バンドのエネルギと上記合成
回路56の出力の差のレベルに応じて割当てられたビッ
ト数で上記各バンドの成分を量子化することになる。な
お、上記遅延回路21は上記合成回路56以前の各回路
での遅延量を考慮して上記総和検出回路14からのハー
クスペクトルSBを遅延させ、上記遅延回路23は上記
ROM20以前の各回路での遅延量を考慮して上記振幅
値Amを遅延させるために設けられている。また、上記
ROM20は、量子化回路24での量子化の際の割当て
ヒント数情報を格納しており、上記減算器19の出力に
応じた該割当てビット数情報を出力するものである。
カーブ発生回路22から供給される第6図に示すような
人間の聴覚特性であるいわゆる最小可聴カーブ(等ラウ
ドネス曲線)RCを示すデータと、上記マスキングスペ
クトルMSとを合成することができる。したがって、該
最小可聴カーブRCとマスキングスペクトルMSとを共
に合成することで、許容ノイズレベルはこの図中斜線で
示ず部分ま−Cとするごとがてき、量子化の際に図中斜
線で示す部分の割当てヒント数を減らずことができるよ
うになる。なおこの第6図は、前述の第2図に示したク
リティカルバンドで表されており、信−号スベクトルS
Sも同時に示している。
においては、一般にエネルギの小さい高域にいく程、許
容ノイズレベルを大きくし、当該高域部分のビット割当
て数を減らすようにすると共に、各バンド毎の信号の周
波数軸上のマスキングを考慮した割当てビット数で量子
化しているため、ピントリダクション量を増加(ピント
レートを低’F)させるごとができるようになる。
マスキングを考慮した足了化割当てビット数の決定と共
に、量子化すべき注目バンドの時間的に隣接する信号の
エネルギに基づいて、当該注目ハン1の上記第2の許容
ノイズレベルを設定することで、時間軸上のテンポラル
マスキングを考慮した量子化割当てビット数の決定も同
時に行うようにしている。すなわち、」二記第1のノイ
ズレベル設定手段において第1の許容ノイズレベルが設
定されている任意のバンド(注目バンド)の現時点の信
号に対して、その注目バンドの現時点の信号に時間軸上
で隣接する前後の信号によるテンポラルマスキングを考
慮して、当該現時点の注目ハンI・の許容ノイズレベル
(第2の許容ノイズレベル)も設定するよ・うにしてい
る。このため、上記合成回路56には、合成回路18の
出力と共に、上記第2のノイズレベル設定手段の合成回
路55の出力も供給されるようになっている。
レベルの信号として上記注目バンドの現時点の信号に対
して時間的に前後の信号のエネルギに基づくテンポラル
マスキングのレベルがそれぞれ算出されて供給されてお
り、これら時間的に前後の信号による許容ノイズレベル
が該合成回路55て合成されて出力されるようになって
いる。
例装置では、上記総和検出回路14の出力を512サン
プル毎に書込/読出するメモリ51及び該メモリ51と
同様のメモリ52と、係数乗算器53.54.合成回路
55とを設けている。
現時点T。とすると、上記メモリ51に上記総和検出回
路14の出力が供給される時点が当該現時点T。の時間
的に後(現時点T。に対しては未来の時間となる)の後
時点]゛、1となり、上記メモリ52から出力される時
点か上記現時点T。
)の前時点T−,となる。
力は、係数乗算器53に供給される。該係数乗算器53
では、該係数乗算器53に信号が供給された該後時点T
。1での上記注目バンドの信号による上記現時点T。の
注目バンドの信号に対するテンポラルマスキング(ハッ
クワードマスキング)を考慮して決定された乗算係数が
、上記後時点T。1の信号に乗算される。すなわち、ご
の乗算係数は、合成回路55及び56での影響を考慮し
て設定される係数であり、例えば上記後時点′F。
によるハンクワードマスキングカ月二記現時点T。の信
号に対して作用するレベルに対応した乗算係数kBが、
該後時点T。、の信号に乗算される。また、上記前時点
T−,の信号すなわちメモリ52の出力は、係数乗算器
54に供給される。該係数乗算器54では、該係数乗算
器54に信号が供給された該前時点T −+での上記注
目バンドの信号による上記現時点T。の注目バンドの信
号に対するテンポラルマスキング(フォワードマスギン
グ)を考慮して決定された乗算係数が、上記前時点T−
,の信号に乗算される。すなわち該乗算係数は、上述同
様に合成回路55.56での影響を考慮して設定され、
例えば前時点T−,の信号を正規化した場合、該前時点
T、の信号によるフォラ1−マスキングが上記現時点T
。の信号に対して作用するレベルに対応した乗算係数k
Fが、該前時点T−,の信号に乗算される。これら各係
数乗算器53.54の出力が合成回路55で合成されて
得られた出力が、上記第2の許容ノイズレベルとなる。
器53.54の出力を加算するような処理が行われる。
回路56に送られる。
力と合成回路18の出力のうち例えば大きい方を選ぶよ
うな合成処理、或いは、各合成回路55.18の出力を
それぞれ所定の重み付けを行って加算するような合成処
理が行われる。また、この加算による合成処理の時は、
例えば全帯域のエネルギを考慮した上記第2の許容ノイ
ズレベルを求めて加算するようにしてもよい。
合成処理を行わない構成とすることもできる。この場合
は、第1図の構成で最小可聴カーブ発生回路22と合成
回路18が不要となり、このため上記引算器16からの
出力は、割算器17で逆コンポリューシジンされた後、
すぐに上記合成回路56に伝送されることになる。
においては、量子化すべき注目バンドの信号に対して、
第1のノイズレベル設定手段によって周波数軸上のマス
キングを考慮した第1の許容ノイズレベルを設定すると
共に、第2のノイズレベル設定手段によって注目バンド
の時間的に隣接する信号でのテンポラルマスキングを考
慮した第2の許容ノイズレベルを設定するようにしてお
り、これら第1.第2の許容ノイズレベルに基づいて各
バンド毎に量子化回路24での量子化割当てビットを決
定しているため、音質を劣化させることなくビットリダ
クション量の増加(ビットレートの低下)が可能となる
。
号化を行う装置の他に、例えば第7図に示すように、帯
域分割符号化を行う装置にも適用することができる。
間軸上のオーディオ信号が供給されており、このオーデ
ィオ信号は、バンドパスフィルタ(BPF)62.〜6
23にそれぞれ供給される。
を通過帯域とし、BPF622は6kHz〜12kHz
を、BPF623は12 kHz〜24 kHzを通過
帯域とするものである。これら各BPFの出力はそれぞ
れ高速フーリエ変換(FFT)回路63、〜633に送
られ、上記FF7回路63.では例えば128サンプル
毎のFFT処理が、FFT回路63□、633では例え
ば64サンプル毎のFFT処理がなされる。これら、各
FF7回路の出力は、上記第1図の高速フーリエ変換回
路11以降と同様の構成の各量子化処理回路64□〜6
43に送られ、前述同様の処理が行われる。その後、合
成回路65で合成されて出力端子66から出力される。
劣化を最小限にしてピットリダクション量を増加するこ
とができる。
ける周波数領域と時間領域での分解能を示す。この第8
図では、上述した帯域分割、高速フーリエ変換等の処理
の1単位を示し、b(mn)におけるm、nの2つのバ
ラメークにより、ブロックが指定されている。mは帯域
尤ンパーを、nは時間ナンバーを示している。該第8図
においで、0〜6kHzの低域では、各帯域の1ブロツ
クが10.67 m5ecの時間長(時間分解能)とな
ることを示している。また、6KIlz〜12kllz
の中域では1ブロツクの時間長が5.3 m5ecとな
ることを、12kHz〜24kHzの高域では1ブロツ
クの時間長が2.67 m5ecとなることを示してい
る。
ィジタル信号を複数の周波数帯域に分割すると共に、高
い周波数帯域ほどバンド幅を広く選定して当該各バンド
毎のエネルギに基づいて各バンド単位の第1の許容ノイ
ズレベルを設定し、量子化すべき注目バンドの時間的に
隣接する信号のエネルギに基づいて第2の許容ノイズレ
ベルを設定して、これら第1及び第2の許容ノイズレベ
ルを合成して得られた出力と各バンドのエネルギの差の
レベルに応したビット数で上記各バンドの成分を量子化
することにより、注目バンドにおいて周波数ψd+ j
二の信号に対するマスキング効果と時間軸上のマスキン
グ効果とを有効に利用することができることとなり、ピ
ントリダクション量を増大させる(ビン1−レートを低
減する)ことができ、少ないヒノ)Iであっても音質劣
化を最小限に抑えることができることになる。
置の概略構成を示すブロック回路図、第2図はクリティ
カルバンドを示す図、第3図はハタスペクトルを示す図
、第4図はフィルタ回路を示す回路図、第5図はマスキ
ング効果ク[・ルを示ず図、第6同は最小可聴カーブ、
マスキングスペクトルを合成した図、第7図は本発明の
他の実施例装置の概略構成を示すブロック回路図、第8
図は周波数領域と時間領域の分解能を示す図、第9図は
オーディオ信号のスペクI・ルを示す特性図、第10図
はテンポラルマスキングを説明するための図である。 3・・・・・・・・帯域分割回路 4・・・・・・・・総和検出回路 5・・・・・・・・フィルタ回路 6・・・・・・・・引算器 7・・・・・・・・割算器 9・・・・・・・減算器 0・・・・・・・・ROM 4・・・・・・・・量子化回路 5・・・・・・・・バッファメモリ 9・・・・・・・・関数発生回路 1.52・・メモリ 3.54・・係数乗算器 8.55.56・・合成回路
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 入力ディジタル信号を複数の周波数帯域に分割すると共
に、高い周波数帯域ほどバンド幅を広く選定し、当該各
バンド毎のエネルギに基づいて各バンド単位の第1の許
容ノイズレベルを設定する第1のノイズレベル設定手段
と、 量子化すべき注目バンドの時間的に隣接する信号のエネ
ルギに基づいて第2の許容ノイズレベルを設定する第2
のノイズレベル設定手段と、上記第1及び第2のノイズ
レベル設定手段の出力許容ノイズレベルを合成する合成
手段と、上記各バンドのエネルギと上記合成手段の出力
の差のレベルに応じたビット数で上記各バンドの成分を
量子化する量子化手段とを有してなることを特徴とする
ディジタル信号符号化装置。
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