CN100521549C - 音频编解码系统和使用该音频编解码系统的编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种音频编解码系统和使用该音频编解码系统的编码方法。根据该方法，当输入的模拟音频信号被编码时，重复进行编码和解码过程以便确定最佳化的编码参数。使用最初的编码参数对输入模拟音频信号进行编码和解码，和在编码过程期间中使用计算的差分计算新参数的过程重复进行。

Description

音频编解码系统和使用该音频编解码系统的编码方法

技术领域

本发明涉及一种用于音频信号编解码系统，更特别地涉及一种音频信号编码设备和使用该音频信号编码设备通过音频信号的重复编码和解码而优化编码参数的方法。

背景技术

如声音信号的实际音频信号都具有模拟特性。模拟音频信号应该被转换为数字信号信息，以便对于使用音频信号的计算机可进行如录音、传输和播放的过程。

数字音频编码-解码器，即音频编解码器是一种将输入的模拟音频信号转换成数字信号的设备。模拟信号通过编解码器的编码器被转换成数字信号。反之，数字信号通过编解码器的解码器被转换成模拟信号，以便用户可听到信号。

一般地，音频编解码器接收模拟音频信号、编码和解码所接收的信号、并输出与接收信号相同的(或非常相似的)可听的信号。

在这一点上，当模拟音频信号被转换成数字音频信号时，应该确定是否最大化解码信号的音质或最小化编码信号所需的信息量。更进一步地，应该考虑在设计音频编解码系统(audio codec system)中平衡上述两个矛的盾目标。

具体地，为了音频编解码系统的设计要求，要考虑音质(实质性)、数据率、复杂性、延迟时间。通过根据实际应用领域和必要性而决定这些要素之间使用不同的平衡从而作出设计。

此处，音质(实质性)是从听觉观点上测量编解码器的输出与原始模拟音频信号相象到什么程度的要素。音质要求可随应用的领域而被改变。获得高音质要求高数据率、高复杂性和较长的延迟时间。

数据率是涉及带宽容量和整个系统的数据储存空间的要素。高数据率意味着在储存和传输数字音频信号中要花费高成本。

此外，进行编码/解码过程的复杂性是涉及编码器和解码器的硬件/软件成本的要素。编解码系统的复杂性通过取决于应用领域的复杂性要求来确定。

在现有技术中，脉冲编码调制(PCM)型的音频编解码器已被用于最简单的和一般的音频编解码器。PCM型解码器通过预定的一段时间进行模拟信号取样，并使用预定的代码来量化信号的大小以表达信号。

在这一点上，在量化过程期间，包括在原始模拟信号中的信息损失可通过在取样过程中充分地提高取样率而被防止而包括在原始模拟信号中的信息基本上会或多或少地损失。

此外，量化的编码在解码过程期间被解码，并且随离散时间而取样的信号顺序被插入，从而计算模拟输出信号。

也就是，无论多少输出信号与原始接收的信号相似取决于在量化过程期过程中多少信息被维持而未损失。

近来，正开发一种在较小储存空间中储存信号并同时获得较好音质的音频编解码器。但是，即使在此条件下，复杂性也被增加。

相关技术中的一般音频编码的应用采用实时或准实时音频编码。因此，增加了编码器的复杂性，因而也增加了解码器的复杂性。

因此，根据相关技术，当储存和传输音频信号时，增加储存空间以便获得最佳音质，并且在储存空间被限制的情况下传输效率被降低。

发明内容

因此，本发明致力于一种音频编解码系统和使用该音频编解码系统的音频信号编码方法，本发明的音频编解码系统和使用该音频编解码系统的音频信号编码方法基本消除了一个和多个由相关技术的局限和缺点而导致的问题。

本发明的目的是提供一种音频编解码系统和一种使用音频编解码系统的音频信号编码方法，本发明的音频编解码系统和使用音频编解码系统的音频信号编码方法在存储和传输音频信号时能够减小储存空间、并且通过重复进行编码和解码以优化实现最佳音质的代码参数从而提高传输效率。

本发明其它的优点、目的和特征将在随后的说明书部分中阐述，依据下述验证，该部分内容对本领域的技术人员来说是显而易见的，或可从本发明的实践得知。本发明的目的和其它优点通过书面的说明书和权利要求及附图特别指出的结构可被实现和获得。

为了获得这些目的和其它优点，根据本发明的目的，如此处的说明和概括描述，本发明提供了一种音频编解码系统，包括：使用预定的编码参数编码输入的模拟音频信号的编码器；使用与编码器相同的编码参数解码通过编码器编码的音频信号、并向编码器输出解码信号的解码器；通过编码和解码计算相应于实际输入信号和估计信号之间差值的差分的差分计算块；和利用通过差分计算块所计算的差分和量子临界值计算新编码参数的编码参数计算块。

本发明的另一技术方案是提供一种编码音频信号的方法，该方法包括步骤：使用初始编码参数编码输入的模拟信号；使用初始编码参数解码被编码的音频信号、并再编码该被解码的信号；通过编码和解码步骤计算差分，并且使用计算的差分计算新的编码参数；使用该新计算的编码参数重复进行编码和解码步骤；以及如果最佳编码参数通过重复的编码和解码被获得，则使用所获的最佳编码参数编码信号。

应理解为本发明前面概括的描述和下面详细的描述是代表性和解释性的，旨在对所要求保护的本发明进行进一步说明。

附图说明

所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，这些附图包含在本发明内，并构成该申请的一部分，本发明的解释实施例与说明书一起说明本发明的原理。在附图中：

图1为根据本发明的实施方案的音频编解码系统的方框图；

图2为说明根据本发明的实施方案的用于优化编码参数的方法的曲线图；

图3为根据本发明的实施方案的用于编码音频信号的方法的流程图。

具体实施方式

将对本发明的优选实施方案进行详细描述，本发明的实施例在附图中说明。

本发明涉及一种音频编解码系统和一种使该用音频编解码系统的音频信号编码方法，该音频编解码系统及使该用音频编解码系统的音频信号编码方法能够仅优化编码参数而不增加在编解码器中所提供的解码器的复杂性，即在无实时编码要求和仅有实时解码要求的情况下不改变编码方法本身。为此目的，本发明采用了重复进行编码和解码的方法，以最佳化优化了音质的译码(编码)参数。

图1为根据本发明的实施方案的音频编解码系统的方框图。

首先，参考图1，根据本发明的实施方案的音频编解码系统100包括：编码器102，该编码器102使用初始编码参数或新编码参数编码输入的音频信号；解码器104，该解码器104使用与编码器参数相同的编码参数解码通过编码器编码的音频信号、并输出解码信号到编码器102；差分计算块106，该差分计算块106计算通过编码和解码而获得的差分；和编码参数计算块108，该编码参数计算块108使用计算的差分计算新编码参数。

以下根据图1描述通过根据本发明的实施方案的音频编解码系统的编码方法。

首先，如果最初输入模拟音频信号，编码器102使用预先设定的初始编码参数编码模拟信号。

解码器104使用初始编码参数对编码音频信号解码。这里，编码器102和解码器104使用相同的编码参数。

此外，通过解码器104解码的信号被再次输入到编码器102，以便编码器102再编码该输入的解码信号。

差分计算块106从由编码器102再编码的结果计算差分。

因此，差分是指在由预定数目的过去音频信号的样本估计当前音频信号的样本值的过程中的音频信号估计值和实际值之间的差值。

在这一点上，实际值是指预定点处的被原始编码的信号值，估计值是指预定点处的信号估计值。

此外，编码参数计算块108使用通过差分计算块106计算的差分来计算新参数。具体地，编码参数计算块108通过量化差分来计算新参数。

之后，重复进行上述过程，即将通过解码器104解码的信号传输到编码器102、在编码器102对信号再编码、在解码器104使用由编码参数计算块108计算的新编码参数解码该编码信号、及将解码信号传输到编码器102的过程。

在这一点上，用于编码和解码过程的新编码参数被重复计算和使用。如果计算出最佳编码参数，则使用最佳编码参数编码音频信号。

也就是，通过根据本发明的音频编解码系统的编码方法使用初始编码参数编码/解码被输入的模拟音频信号、使用获得的新编码参数重新编码/解码、之后计算出最佳化的编码参数、最后使用最佳编码参数对模拟音频信号编码。

这里，随本发明的编解码器系统中重复进行编码和解码，输入的音频信号为不需要实时编码的信号、或为以后使用而预先编码的信号。

重复的编码/解码的过程和优化编码参数的过程将在下面进行更详细地描述。

首先，重复的编码是指根据预定数目的输入的音频信号的过去样品估计当前样本值、并且量化估计值与实际值之间的差值。在这一点上，当前样本值的估计通过下式进行。

$e\left(n\right)=\mathrm{rs}(n-1)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}w\left(i\right)*\mathrm{rd}(n-i)$

这里，e(n)是估计的信号，rs(n-1)是重建信号，即在预先编码和通过解码器104解码之后再次输入的信号。rd(n-1)是重建差分，即通过差分计算块计算的差分，w(i)是权重。

调节权重使接近于当前样本的过去样本对估计信号有很大的影响。

以该方式计算估计值e(n)后，使用量化表计算并估计值和实际值之间的差值。

即量化是这样的，例如在存在值1、2、3、4、5、6、7、8、9、10的情况下，1，2，3赋值给“a”；4，5，6，7赋值给“b”；8，9，10赋值给“c”。该量化表为QT。

量化通过下式进行。

d(n)＝s(n)-e(n)

code(n)＝k，QT(k-1)<d(n)<QT(k)

其中，s(n)是实际值，d(n)是差分，code(n)是n-th样本的代码值，即编码值；QT(k)是k-th量化临界值。

如上所述，通过上述方法编码的音频信号被输入到解码器，然后该编码音频信号被解码。解码是指由预定数目的过去样本估计当前样本的值、计算相应于用于当前样本的代码值的差分、然后相加差分和估计值。

通过下式进行解码。

rd(n)＝rec(code(n))

rs(n)＝e(n)+rd(n)

其中，rec(k)即rec(code(n))为rd(n)，rd(n)为由差分计算块计算的差分代号k的重建值。

此外，由于rs(n)是指解码信号，结果rs(n)是通过计算相应于当前样本的代码值k的差分rd(n)，rd(n)即为由差分计算块106计算的差分代码k的重建值，并且相加该差分和估计值e(n)而获得。

同时，下面将对用于优化编码参数的方法进行描述。

用于编码和解码的量化临界值QT(k)及差分代码k的重建值rec(k)，即rd(n)是决定音质的重要编码参数。优化这些参数是指在给定数据率下优化音质。

在优化这些编码参数的过程中，首先使用初始量化临界值QT(k)和代码k的重建值rec(k)进行编码。

第二步，使用编码结果进行上述解码，以便所有样本的重建差分rd(n)被检测。

第三步，分组通过使用检测的差分rd(n)的k均值法(k-meansmethod)进行分簇。

第四步，将分簇中心赋值给代码k的重建差分值rec(k)，将测定边界(determination boundary)赋值给量化临界值QT(k)。

上面描述可在图2中说明。参考图2，图2中具有差分的水平轴数组和样本数(频率)的垂直轴数组，如果簇的中心被赋值给代码k的重建差分值rec(k)，则测定边界被赋值给量化临界值QT(k)。

第五步，被优化的编码参数通过重复进行上述第二步至第四步的过程被计算。最后，使用由该方式计算的最佳编码参数进行编码。

也就是，编码参数是QT(1)，QT(2)，...QT(k-1)，QT(k)，...，并在编码过程期间不断地更新。通过优化编码参数的方法计算测定边界临界值QT(k)的方法是计算新编码参数的过程。

换句话说，如果通过优化编码参数的过程计算rd(n)、并且使用k均值法进行分簇，则“簇中心”和“测定边界”被改变，从而“簇中心”被赋值给重建差分值rec(k)、“测定边界”被赋值给临界值QT。

此外，如果使用k均值法，rec(k)和QT在编码/解码过程期间不断地改变。最佳状态是一种即使重复进行编码/解码rec(k)和QT也维持恒定的状态。在该点的rec(k)和QT是最佳编码参数。

结果，当存储和传输音频信号时，本发明减小了存储空间，并且通过优化编码参数以进行音频信号的编码，从而提高了传输效率。

图3为根据本发明的实施方案的用于编码音频信号方法的流程图。

参考图1和3，向音频编解码器100(ST30)内的编码器102输入虚拟音频信号。

编码器102使用初始编码参数(ST31)编码模拟音频信号。

编码的音频信号使用最初的编码参数(ST32)通过解码器104解码。

此外，通过解码器104解码的信号输入到编码器102，以便编码器102再编码上述输入的解码信号。差分通过编码和解码过程(ST33)被检测。

这里，差分是指在由预定数目的过去音频信号的样本估计当前音频信号的样本值的过程中音频信号的估计值和实际值之间的差异。

之后，使用计算的差分计算新参数的过程，及使用计算的参数编码解码信号和解码编码信号的过程(ST34和ST35)被重复进行。

这里，编码过程是指由预定数目的音频信号的过去样本估计当前样本值、并量化估计值和实际值之间的差值。

在这一点上，从过去样本估计当前样本值的方法使用过去样本的重建信号与过去样本的重建差分的权重之和。估计值和实际值之间的差异的量化方法使用以前计算的编码参数。

解码是指由预定数目的过去重建样本估计当前样本值、计算相应于当前样本的代码值的差分、然后相加差分和估计值。

此外，在编码和解码过程中使用的量化临界值和差分代码的重建值在计算新编码参数的过程中被优化。

在这一点上，k均值法的样本分组技术被应用到在优化量化临界值和差分代码的重建值的过程中的编码步骤所计算的重建差分。在该技术中计算的簇中心和测定边界分别被赋值给差分代码的重建值和量化临界值。

就是说，如果通过优化编码参数的方法计算差分rd(n)、并且使用k均值法进行分簇，则“簇中心”和“测定边界”被改变，从而“簇中心”被赋值给重建差分值rec(k)、“测定边界”被赋值给临界值QT。

此外，如果使用k均值法，则rec(k)和QT在编码/解码过程期间中不断改变。最佳状态是一种即使重复进行编码/解码rec(k)和QT也维持恒定的状态。在该点的rec(k)和QT是最佳编码参数。

如果最佳编码参数通过上述过程计算的，则使用最佳编码参数(ST35，36)编码音频信号。

就是说，使用本发明编解码系统100的编码方法使用初始编码参数编码/解码输入的模拟音频信号，之后使用新编码参数重复编码/解码，从而优化和计算编码参数，最后使用最佳编码参数编码模拟音频信号。

如上所述，根据本发明的编解码系统及使用该编解码系统的编码方法，重复进行编码/解码过程以提高编码效率、及优化编码参数，从而可以在编码为以后使用的先前模拟音频信号、不编码实时音频信号的过程中优化音质。因此，当存储和传输时音频信号时，存储空间减小，并且可提高传输效率。

对本发明作出的各种修改和变型对于本领域技术人员是显而易见的。因此，是指如果本发明的各种修改和变型落入本发明的权利要求及其等同物的范围内，本发明覆盖了对本发明的各种修改和变型。

Claims (4)

1、一种音频编解码系统，包括：

编码器，该编码器使用预定的编码参数编码输入的模拟音频信号；

解码器，该解码器使用与编码器相同的编码参数解码由编码器编码的音频信号，并且向编码器输出解码信号；

差分计算块，该差分计算块通过编码和解码计算相应于实际输入信号和估计信号之间的差值的差分；和

编码参数计算块，该编码参数计算块利用通过差分计算块计算的差分和量化临界值计算新的编码参数；

其中在所述编码参数计算块计算新的编码参数的过程中，所述差分和量化临界值的代码的重建值被最佳化，其中最佳的编码参数通过使用由编码参数块计算的新编码参数重复进行编码和解码来计算，所述最佳的编码参数是一种即使重复进行编码和解码而量化临界值及差分代码的重建值也维持恒定的状态下的量化临界值及差分代码的重建值。

2、根据权利要求1的系统，其中差分是在以预定数目的过去音频信号的样本估计当前音频信号的样本值的过程中音频信号的估计值和实际值之间的差值。

3、根据权利要求1的系统，其中编码参数计算块通过差分的量化计算新编码参数。

4、一种编码音频信号的方法，包括步骤：

使用初始编码参数编码输入的模拟信号；

使用初始编码参数解码被编码的音频信号，并且再编码被解码的信号；

通过编码和解码步骤计算差分，然后使用计算的差分计算新编码参数；

使用该新计算的编码参数重复进行编码和解码步骤；和

如果最佳编码参数通过重复的编码和解码被计算得到，则使用该计算的最佳编码参数编码信号，所述最佳的编码参数是一种即使重复进行编码和解码而量化临界值及差分代码的重建值也维持恒定的状态下的量化临界值及差分代码的重建值；

其中编码步骤通过由预定数目的输入音频信号的过去样本估计当前样本值、以及量化估计值和实际值之间的差值来进行；

其中由过去样本估计当前样本值的步骤使用过去样本的重建信号与过去样本的重建差分的权重之和，量化估计值和实际值之间的差值的步骤使用先前计算的编码参数；

其中解码步骤通过由预定数目的过去重建样本估计当前样本值、计算相应于用于当前样本的代码值的差分、然后相加该差分和估计值来进行；

其中在编码和解码步骤中使用的量化临界值和差分的代码的重建值在计算新编码参数的步骤中被最佳化；

其中k均值法的样本分组技术被用于在优化量化临界值和用于差分代码的重建值的过程中的编码步骤中所计算的重建差分，并且在该技术中计算的簇中心和测定边界分别被赋值于差分代码的重建值和量化临界值。

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