DE19639000A1 - Toncodier- und Tondecodiervorrichtung - Google Patents
Toncodier- und TondecodiervorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Toncodier- und Tondecodiervor
richtung, die insbesondere mit Hochgeschwindigkeitsanalyse- und
-synthesefilteralgorithmen jeweils arbeitet, und bei der die An
zahl der für die Operationen in einem standardisierten Filter
erforderlichen Multiplikationen dadurch verringert ist, daß die
Charakteristik eines Fensterkoeffizienten benutzt wird.
Die Toncodierung nach dem internationalen Standard, d. h.
nach IS 11172-3, der von der Moving Picture Experts Group (MPEG)
vorgeschlagen wurde, liefert ein Tonwiedergabesignal mit hoher
Qualität, das beispielsweise bei einer Kompakt-Disk CD mit 128
kBit pro Sekunde pro Tonkanal verwandt werden kann. Dieser in
ternaionale Standard kann dazu benutzt werden, ein Tonsignal auf
einem digitalen Speicherträger beispielsweise einer CD, einem
digitalen Tonband DAT oder einer Festplatte zu speichern, wobei
das Tonsignal durch Anschluß des Speicherträgers direkt oder
über eine andere Einrichtung wie beispielsweise eine Nachrich
tenübertragungsleitung an eine Decodiervorrichtung rekonstruiert
werden kann. Ein Bitstrom, der durch eine Codiervorrichtung
codiert wurde, kann weiterhin über eine Nachrichtenübertragungs
leitung in einer Decodiervorrichtung direkt in ein Tonsignal
rekonstruiert werden.
Bei der Ausbildung von derartigen Codier- und Decodiervor
richtungen in der Praxis in Form eines Systems führen Analyse-
und Synthesefilteralgorithmen die meisten Rechenvorgänge im
gesamten System durch. Bei einer Tondecodiervorrichtung wird
insbesondere die meiste Zeit durch einen Bandsynthesefilter
algorithmus verbraucht. Somit steht die Frage, wie leistungs
fähig die Analyse- und Synthesefilteralgorithmen ausgebildet
sind, in einer engen Beziehung mit der leistungsfähigen Ausbil
dung der Toncodier- und Tondecodiervorrichtungen.
Die Verwirklichung eine Toncodier- und Tondecodiervorrich
tung in einer ausschließlich dazu benutzten Hardware durch eine
leistungsfähige Ausbildung der Analyse- und Synthesefilteralgo
rithmen senkt daher die Zeit, die zum Codieren und Decodieren
benötigt wird, was langsamere und kostengünstigere Prozessoren
einsetzbar macht. Aufgrund der zunehmenden Benutzung von Multi
mediavorrichtungen in Verbindung mit der Entwicklung auf dem Ge
biet der Computer, der Nachrichtentechnik und der Rundfunktech
nik besteht weiterhin eine steigende Notwendigkeit, ein Tonsig
nal durch Decodieren eines codierten Bitstromes nicht mit einer
allein zu diesem Zweck benutzbaren Hardware sondern über eine
Software zu rekonstruieren. Obwohl die Verbesserung der
Leistungsfähigkeit von Multimediavorrichtungen bereits die Mög
lichkeit der Echtheitverarbeitung in einem Allzweckprozessor
hoher Leistung bietet, würden schnelle Algorithmen die Ausfüh
rung von Echtzeitverarbeitungssoftwareprogrammen in noch uni
verseller einsetzbaren Prozessoren ermöglichen.
Der Algorithmus der Tonstandardcodierung nach MPEG, d. h.
nach der IS 11172-3 verwendet jedoch lediglich Operationsglei
chungen in Verbindung mit Analyse- und Synthesefilteralgorithmen
ohne Vereinfachung, so daß für die Analyse- und Synthesefilter
algorithmen sehr viel Zeit verbraucht wird. Um dieses Problem zu
beseitigen, sind Algorithmen vorgeschlagen worden, die auf einer
diskreten Kosinustransformation mit hoher Geschwindigkeit DCT
beruhen.
Derartige Algorithmen führen dieselben Operationen wie die
Filteralgorithmen für die Tonstandardcodierung nach MPEG, d. h.
IS 11172-3 aus, die Kosinuswertabbildung kann jedoch mittels
eines schnellen DCT Algorithmus erfolgen. Die meisten Operation
en werden zum Abbilden der Kosinuswerte in IS 11172-3 ausge
führt, so daß die Zeit zum Abbilden der Kosinuswerte drastisch
abnimmt, wenn in den vorgeschlagenen Algorithmen eine DCT mit
hoher Geschwindigkeit benutzt wird. Das hat zur Folge, daß fen
sterbezogene Operationen einschließlich Fensterabbildungen eines
Eingangssignals und Zufügen von Polyphasenkomponenten zugenommen
haben. Keine Abnahme der fensterbezogenen Operationen führt
jedoch zu keiner weiteren Abnahme in den Operationen insgesamt.
Die Symmetrie der MPEG Fensterkoeffizienten kann jedoch zu
einer Abnahme der fensterbezogenen Operationen und der Anfor
derungen an die Speicher beitragen.
Durch die Erfindung sollen die oben erwähnten Schwierigkei
ten beseitigt werden und soll daher eine Toncodier- und Tondeco
diervorrichtung geschaffen werden, die Hochgeschwindigkeitsana
lyse- und -synthesefilteralgorithmen jeweils verwendet, um die
Filterdefinitionsgleichungen durch Ausnutzen der Symmetrie der
MPEG Fensterkoeffizienten zu vereinfachen, die vereinfachten
Definitionsgleichungen zur Verwendung im Hochgeschwindigkeits-
DCT-Algorithmus zu optimieren und die fensterbezogenen Opera
tionen zu verringern.
Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Toncodier- und Tondeco
diervorrichtung eine Toncodiervorrichtung, die mit einem Hoch
geschwindigkeitssynthesefilteralgorithmus arbeitet und eine
Abbildungseinheit zum Klassifizieren des empfangenen Tonsignals
nach einem Frequenzband unter Verwendung eines Hochgeschwindig
keitsbandanalysefilters, ein psychoakustisches Modell zum Zuord
nen von Bit zu jedem Frequenzband unter Verwendung der psychoa
kustischen Charakteristik, eine Quantisierungs- und Codierungs
einheit zum Quantisieren und Codieren des abgebildeten Signals
nach Maßgabe der Anzahl von Bit, die jedem Frequenzband zugeord
net ist, und eine Datenblockbildungseinheit zum Erzeugen eines
Bitstroms aus dem Ausgangssignal von der Quantisierungs- und
Codierungseinheit aufweist, und eine Tondecodiervorrichtung, die
den Hochgeschwindigkeitsanalysefilteralgorithmus verwendet und
eine Datenblockentpackungseinheit zum Entpacken eines Signals
aus dem codierten und empfangen Bitstrom, eine Decodier-und
Umkehrquantisierungseinheit zum Decodieren und Umkehrquantisie
ren des quantisierten Signals und eine Umkehrabbildungseinheit
zur Zeit/Frequenzumkehrabbildung des umkehrquantisierten Signals
unter Verwendung des Hochgeschwindigkeitsbandsynthesefilteralgo
rithmus aufweist.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson
ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be
schrieben. Es zeigen
Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Grundaufbau eines Co
dierers nach dem internationalen MPEG Standard,
Fig. 2 in einem Blockschaltbild den Grundaufbau eines Deco
dierers nach dem internationalen MPEG Standard,
Fig. 3 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für ein
Analysefilter, das in dem in Fig. 1 dargestellten Codierer nach
dem internationalen MPEG Standard verwandt wird,
Fig. 4 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus I für ein
Hochgeschwindigkeitsanalysefilter gemäß der Erfindung,
Fig. 5 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus II für ein
erfindungsgemäßes Hochgeschwindigkeitsanalysefilter,
Fig. 6 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für ein
Analysefilter, das in dem in Fig. 2 dargestellten Decodierer
nach dem internationalen MPEG Standard verwandt wird,
Fig. 7 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus I zur Hoch
geschwindigkeitssynthesefilterung gemäß der Erfindung,
Fig. 8 in einem Flußdiagramm einem Algorithmus II für eine
Hochgeschwindigkeitssynthesefilterung gemäß der Erfindung,
Fig. 9 in einem Blockdiagramm die Verringerung der Anzahl
von Multiplikationen bei der Berechnung von x=ad-cd und y=ac+bd,
Fig. 10 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für ein
Hochgeschwindigkeitsanalysefilter, der die Symmetrie in Fenster
koeffizienten gemäß der Erfindung ausnutzt,
Fig. 11 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für eine
Hochgeschwindigkeitssynthesefilterung, der die Symmetrie in
Fensterkoeffizienten gemäß der Erfindung ausnutzt,
Fig. 12 C2[128], Csum[128], und Dsub[128], die in Fig. 10
benutzt werden, und
Fig. 13 D2[128], Dsum[128] und Dsub[128], die in Fig. 11
benutzt werden.
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbei
spiel des erfindungsgemäßen Toncodierers, der mit einem Hoch
geschwindigkeitsbandanalysefilter arbeitet (Toncodierer nach dem
MPEG Standard IS 11172-3).
Der in Fig. 1 dargestellte Toncodierer weist einen Abbild
ner 11 zur Analysefenster- und Zeit/Frequenzabbildung eines
Eingangssignals, ein psychoakustisches Modell 12 zum Zuordnen
von Bit zu jedem Band unter Verwendung der psychoakustischen
Charakteristik, ein Quantisier- und Codierglied 13 zum Quanti
sieren und Codieren des abgebildeten Signals nach Maßgabe der
Anzahl von Bit, die einem Band zugeordnet sind, und einen Daten
blockbildner 14 zum Erzeugen eines Bitstroms auf.
Der Abbildner 11 klassifiziert einen Eingangstonbitstrom
nach einem Frequenzband unter Verwendung eines Analysefensters.
Die zeit/frequenzabgebildeten Signalteile werden im internatio
nalen Standard der MPEG Subbandsamples in der Schicht I oder II
oder transformierte Subbandsamples in der Schicht III bezeich
net. Die Klassifikation des Signals nach Maßgabe eines Bandes
trägt dazu bei, die Rauschverteilung zu verringern, die durch
die Quantisierung über die gesamten Bänder hervorgerufen wird,
wenn die Signale rekonstruiert werden.
Das psychoakustische Modell 12 bildet modellartig den Vor
gang der menschlichen Tonwahrnehmung nach, indem insbesondere
die Maskierungserscheinung und das kritische Band unter den
psychoakustischen Charakteristiken benutzt werden. Das psychoa
kustische Modell 12 erzeugt einen Datensatz zum Steuern der
Quantisierung und Codierung.
Das Quantisier- und Codierglied 13 führt eine Quantisierung
und Codierung aus, um zu vermeiden, daß die bei der Signalrekon
struktion hereinkommenden Fehler von einem Menschen wahrgenommen
werden, indem das Ergebnis von Rechenvorgängen im psychoakusti
schen Modell 12 benutzt wird.
Der Datenblockbildner 14 kombiniert leistungsfähig die
quantisierten Daten mit der zum Decodieren benötigten Informa
tion und erzeugt einen Bitstrom nach dem Huffman Codierungsver
fahren.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbei
spiel des erfindungsgemäßen Tondecodierers, der mit einem Hoch
geschwindigkeitsbandsynthesefilteralgorithmus arbeitet (Tondeco
dierer nach dem internationalen MPEG Standard IS 11172-3).
Der in Fig. 2 dargestellten Decodierer weist einen Daten
blockentpacker 21 zum Entpacken eines Signals von einem Ein
gangsbitstrom, einen Decodierer und Umkehrquantisierer 22 zum
Decodieren und Umkehrquantisieren des quantisierten Signals und
einen Umkehrabbildner 23 zum Zeit/Frequenzumkehrabbilden und
Synthesefenstertransformieren des umkehrquantisierten Signals
auf.
Der Datenblockentpacker 21 trennt die quantisierten Ton
daten und die weitere zusätzlich zu decodierende Information von
einem codierten Bitstrom.
Der Decodierer und Umkehrquantisierer 22 rekonstruiert die
quantisierten Tondaten auf die Werte vor der Quantisierung unter
Verwendung der Quantisierungsschrittgröße.
Der Umkehrabbildner 23 rekonstruiert die Frequenzbereichs
daten in Zeitbereichsdaten. Die Zeitbereichsdatenwerte werden
synthesefenstertransformiert und zu einem Zeitbereichssignal
durch Überlagern und Addieren (OLA) rekonstruiert.
Ein Bandteilungsfilter, das im Abbildner 11 in Fig. 1 be
nutzt wird, kann in der folgenden Weise dargestellt werden:
wobei m die Nummer eines Blockes ist, M die Größe eines
geteilten Bandes bezeichnet, 2KM die Größe eines Analysefensters
ist, K eine Proportionalitätskonstante zwischen der Fenstergröße
und der Größe der geteilten Bandes ist, xm [k] das m-te Signal
bezeichnet, das durch Formatieren des Eingangssignals in Blöcke
erhalten wird, h[n] ein Koeffizient eines Analysefensters ist
und xm[k] ein Signal eines k-ten Bandes ist, das vom Signal des
m-ten Blockes transformiert wurde.
Ein Algorithmus, wie er durch den internationalen Standard
gegeben ist, wird in der in Fig. 3 dargestellten Weise in einen
Algorithmus mit K gleich 8 und M gleich 32 dadurch transfor
miert, daß die Gleichung (1) unter Verwendung der Periodizität
des Kosinuszyklus auf die Gleichung (2) reduziert wird:
Die Parameter der Gleichung (2) sind wie folgt definiert:
Die Gleichungen (2) und (6) für den Algorithmus des inter
nationalen Standards sind aus der Gleichung (1) nicht im vollen
Maße vereinfacht und haben große Speicheranforderungen. Aus der
Gleichung (1) wird gemäß der Erfindung daher ein neuer Algorith
mus gebildet.
Durch die Permutation ergibt sich:
Unter Berücksichtigung der Gleichung (7) läßt sich Glei
chung (1) wie folgt schreiben:
Wenn angenommen wird, daß im Fall von s < 3M/2 oder s <
(2K+/2)M xt[s] = 0, dann läßt sich die Gleichung (8) schreiben
als:
Wenn die Gleichung (9) mit l=2r und l=2r+1 aufgeteilt wird,
dann ergibt sich aus Gleichung (9) die folgenden Gleichung (10)
Durch die Permutation v = (2r+2)M-l-u im ersten Ausdruck
der Gleichung (10) und v = (2r+2)M+u im zweiten Ausdruck läßt
sich die Gleichung (10) umschreiben als:
Durch die Permutation p=v+1 und xt[(2r+2)M] cos
[(k+1/2)µ/M]=0, wenn v=M-1 im ersten Ausdruck der Gleichung (11)
und p=v im zweiten Ausdruck ist, kann die Gleichung (11)
geschrieben werden als:
Die Gleichung (12) kann in der folgenden Weise geschrieben
werden:
In der Gleichung (13) ist u[p] wie folgt definiert:
Unter Berücksichtigung der Gleichung (7) und unter der
Annahme, daß xm [n] = 0 und h [n] = 0 wenn n < 0 oder n < -2KM,
kann die Gleichung (14) geschrieben werden als:
Die Gleichung (15) kann nach Maßgabe des Bereiches von p
unter Verwendung eines Filterkoeffizienten C[n], wie er in Glei
chung (5) im internationalen Standard definiert wird, wie folgt
ausgedrückt werden.
Der Wert M des Signals u[p] wird aus dem Wert 2KM des Ein
gangssignals xm [n] unter Verwendungen der Gleichungen (14), (15)
und (16) erhalten. Aus der Gleichung (13) wird u[p] aus der
Größe M des DCT-III Algorithmus gebildet. Die DCT-III Transfor
mationsgleichung der Gleichung (13) kann als schneller Algorith
mus erhalten werden. Der erhaltene Algorithmus kann die Anzahl
M² der Multiplikationen auf M/2×log₂M+1 reduzieren. Der in Fig.
4 dargestellte schnelle Analysefilteralgorithmus kann durch die
Gleichungen (13) und (16) erhalten werden. Fig. 4 betrifft den
Fall, das K=8 und M=32.
Im folgenden wird ein Algorithmus eingeführt, der in seinem
Aufbau von dem oben beschriebenen schnellen Algorithmus I ver
schieden ist. Dieser Algorithmus zeigt dieselbe Operationskom
plexität wie der schnelle Algorithmus I jedoch eine regelmäßige
re Beschaffenheit, so daß er für eine parallele Verarbeitung
geeignet ist.
Ein Eingangssignal xm [n] eines m-ten Blockes hat die fol
gende Beziehung zu einem Eingangssignal xm-r [n] eines (m-r)-ten
Blockes:
xm-r [n] = xm [rM+n], 0 r < 2K-1, 0 n < M . . . (17).
Unter Verwendung der Gleichung (17) kann die Gleichung (16)
als Gleichung (18) wie folgt ausgedrückt werden:
Mm-2s[p] ist in der folgenden Weise durch Transformieren der
Gleichungen (18a) bis (18c) definiert:
UMm-2s-1[p] ist in der folgenden Weise durch Transformieren
der Gleichungen (18c) und (18d) definiert:
Die Gleichung (19) kann für den Fall 0 < s < K-1 in eine Glei
chung (21) unter Verwendung eines R Sample-Zeit-Verzöge
rungsoperators Z-R{} umgewandelt werden.
Die Gleichung (20) kann gleichfalls im Fall von 0 < s < K-1
unter Verwendung des R Sample-Zeit-Verzögerungsoperators Z-R{} in
eine Gleichung (22) umgewandelt werden:
u(p) der Gleichung (18) kann unter Verwendung von UMm-2s [p]
in der Definition der Gleichungen (19) und (20) wie folgt ausge
drückt werden:
Ein bandgeteiltes Signal kann dadurch erhalten werden, daß
u[p] nach der Gleichung (23) in der in Fig. 5 dargestellten
Weise berechnet wird und ein schneller DCT Algorithmus benutzt
wird. Aus Gleichung (23) ergibt sich, daß ein vorher berechneter
und verzögerter Ausdruck, der in einem Pufferspeicher gespei
chert ist, dem Rechenergebnis eines neu eingegebenen Blocksi
gnals zuaddiert wird und daß der addierte Wert im Pufferspeicher
gespeichert wird. Die Rechenergebnisse, die im Pufferspeicher
gespeichert werden, sind dabei unabhängig, was die Parallelver
arbeitung bezüglich des schnellen Algorithmus I erleichtert.
Fig. 5 zeigt einen schnellen Algorithmus mit K=8 und M=32.
Im Umkehrabbildner 23 von Fig. 1 wird der im folgenden
beschriebene Bandsynthesefilteralgorithmus benutzt.
Nach der Gleichung (1) wird ein in 2KM Bänder geteiltes
Signal erzeugt. Wenn die 2KM Signale auf den Dekodierer über
tragen werden, dann können die Signale durch eine Umkehrtrans
formation nach der Gleichung (24) und eine Überlagerung und
Addition beispielsweise nach der Gleichung (25) rekonstruiert
werden.
XQm[k] der Gleichung (24) ist ein Signal, das eine Quan
tisierungsstörung einschließt, die bei der Quantisierung und
Umkehrquantisierung an dem nach der Gleichung (1) erzeugten
Signal xm[k] erzeugt wird.
Ein Signal, das durch die Gleichung (1) erzeugt wird, hat
die folgende Periodizität:
In der Gleichung (25) ist f[n] ein Synthesefensterkoeffi
zient.
Ein umkehrtransformiertes Signal der Gleichung (24) kann
daher nur mit M Signalen erhalten werden, die nach der Gleichung
(1) erzeugt werden. D.h., daß über eine Permutation die Glei
chung (24) ausgedrückt werden kann als:
Durch eine Permutation k=2rM+s (0r<k, 0s<2M) läßt sich
die Gleichung (27) schreiben als:
Unter Berücksichtigung der Periodizität der Gleichung (26a)
läßt sich die Gleichung (28) schreiben als:
Durch die Permutationen l=s im Fall von 0s<M und l=2M-1-s
im Fall von Ms<2M läßt sich aufgrund der Charakteristik der
Gleichung (26b) die Gleichung (29) schreiben als:
Daraus ergibt sich:
wobei xqm[n] ein umkehrtransformiertes Signal, d. h. ein
Umkehrtransformationssignal ist.
Durch die Übertragung einer Information nicht von 2KM Bän
dern sondern von M Bändern kann ein Signal rekonstruiert werden,
indem xqm unter Verwendung der Gleichung (30) gebildet wird und
das Ergebnis auf die Gleichung (25) angewandt wird. Das hat zur
Folge, daß in der Praxis M bandgeteilte Signale kodiert werden.
Da das bandgeteilte Signal der Gleichung (26) eine Peri
odizität hat, so daß das auch für das bandsynthetisierte Signal
xqm[n] oder xm[n] gilt, ergibt sich:
xqm[2rM + n] = (-1)rxqm[n], zm[2rM + n] = (-1)rzm[n] (32).
Wenn die Gleichung (25) mit q=2p und q=2p+1 aufgeteilt wird
und die Periodizitäten der Gleichung (32) benutzt werden, ergibt
sich:
Ein Algorithmus, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, wird für
den Tondekodierer von Fig. 2 durch Bildung der folgenden Glei
chung unter Verwendung der Gleichung (33) erzielt. Fig. 6 be
trifft den Fall K=8 und M=32.
wobei D(n) und Vm[n] wie folgt definiert sind:
D[2PM + n] = (-1)pf[2PM + n], 0 p < M 0 n < 2M (35)
wobei N[n] [l] eine Matrix ist, die wie folgt berechnet
wird:
Der Algorithmus für den internationalen Standard nutzt
jedoch nicht ausreichend die Periodizität aus und erfordert
einen großen Speicher für die Operationen des Synthesefilteral
gorithmus. Durch Umordnung der Gleichung (35) kann somit ein
schnellerer Algorithmus erzielt werden.
Unter Verwendung der Gleichungen (31) und (35) läßt sich
die Gleichung (33) wie folgt schreiben:
Wenn die Symmetrie der Gleichung (36b) im zweiten Ausdruck
der Gleichung (38) benutzt wird, dann ergibt sich:
die unter Ausnutzung der Periodizität der Gleichung (32)
nach Maßgabe des Bereiches von n wie folgt ausgedrückt werden
kann:
Ein Signal wird schnell dadurch rekonstruiert, daß xm[n]
nach der Gleichung (30) berechnet und der berechnete Wert xm[n]
in die Gleichung (40) eingesetzt wird. Eine Umkehroperation der
Transformation DCT-II für ein Analysefilter dient als Grund-DCT-
III Operation. Da die Gleichung (30) die DCT-III Operation ist,
gibt es einen schnellen Algorithmus wie beispielsweise DCT-II.
Der erhaltene Algorithmus kann die Anzahl der Multiplikationen
von M² auf M/2×log₂M+1 herabsetzen. Durch die Gleichungen (3) und
(4) und unter der Bedingung K=8 und M=32 kann daher ein schnel
ler Synthesefilteralgorithmus erzielt werden, wie er in Fig. 7
dargestellt ist.
Im folgenden wird ein Algorithmus eingeführt, der sich in
seinem Aufbau vom schnellen Algorithmus I unterscheidet. Dieser
Algorithmus hat eine Operationskomplexität, die genauso groß wie
beim schnellen Algorithmus I ist, zeigt jedoch eine stärker re
gelmäßige Beschaffenheit, so daß er sich mehr für eine Parallel
verarbeitung eignet.
Um den abweichenden Aufbau einzuführen, wird ein Teil der
Gleichung (40) als xbum-2s[n] in der folgenden Weise definiert:
Vorausgesetzt das 0 S < K-1 kann unter Verwendung des R-
Sample-Zeitverzögerungsoperators zR{} die Gleichung (41) umge
schrieben werden als:
Unter Verwendung der Gleichung (42) kann ein rekonstruier
tes Signal aus den Signalen xm[n] und xm-1[n] erhalten werden, die
mit dem schnellen DCT-II Algorithmus umkehrtransformiert werden.
Die Rechenergebnisse, die in jedem Pufferspeicher zu speichern
sind, sind dabei unabhängig, was im Gegensatz zum schnellen
Algorithmus I eine Parallelverarbeitung erleichtert. Der in Fig.
8 dargestellte Algorithmus kann unter Verwendung der Gleichung
(42) für K=8 und M=32 verwirklicht werden.
Ein schneller Algorithmus mit symmetrischem Fenster wird im
folgenden beschrieben. Aus der ursprünglichen Gleichung des
internationalen Standards sind ein Fensterkoeffizient eines
Analysefilters h[n] und ein Fensterkoeffizient eines Synthese
filters f[n] gegeben als:
h[n] = f[n] (43).
Die Fensterkoeffizienten C[n] und D[n] des internationalen
Standards, die in den Gleichungen (5) und (35) definiert sind
und als Tabellen vorliegen, haben die folgende Beziehung:
Die Gleichung (44) trägt zur Abnahme der Speichererforder
nisse in einem System bei, das sowohl einen Codierer als auch
einen Decodierer verwendet.
Die Fensterkoeffizienten haben die folgende Symmetrie:
h[n]=h[2KM - n] (45).
C[n] und D[n] zeigen die folgenden Charakteristiken gemäß
Gleichung (45)
Unter Ausnutzung der Symmetrie der Gleichung (46) ergibt
sich aus Gleichung (21):
Durch Ersetzen von s durch K-1-s kann Gleichung (48) wie
folgt geschrieben werden:
Dann kann durch Ersetzen von p durch M/2-p Gleichung (49)
geschrieben werden als:
Mittels der obigen Transformation kann die Gleichung (22)
geschrieben werden als:
Um x und y aus Werten a, b, c und d in Gleichung (52) zu
berechnen, sollten vier Multiplikationen ausgeführt werden. Die
Anzahl der Multiplikationen kann jedoch auf drei herabgesetzt
werden, wenn der Aufbau von Fig. 9 benutzt wird. Diese Operation
wird dazu benutzt, die Geschwindigkeit der Multiplikationen
komplexer Zahlen zu erhöhen.
x = a × d - b x c, y = a × c + b × d (52).
Wenn c und d in Fig. 9 Konstanten sind, dann werden (d-c)
und (c+d) vorher berechnet und in einem Speicher gespeichert.
Somit steigt die Anzahl an Additionen von zwei auf drei. Da die
Zeit für eine Addition kürzer als die für eine Multiplikation
ist, nimmt die zum Berechnen von x und y erforderliche Zeit ab.
Die Gleichungen (21b) und (51b), (22b) und (50b) und die
Gleichung (52) haben jedoch die gleiche Struktur. Die Werte
C[n], die c und d entsprechen, sind im Speicher gespeichert, so
daß die obige Annahme erfüllt ist. Es kann daher unter Verwen
dung des Aufbaus von Fig. 9 in der in Fig. 10 dargestellten
Weise ein Algorithmus verwirklicht werden, in dem die Gleichung
(21b) mit der Gleichung (51b) arbeitet und die Gleichung (22b)
mit der Gleichung (50b) arbeitet. Fig. 10 zeigt einen Algorith
mus für K=8 und M=32. In dem in Fig. 10 dargestellten Aufbau
werden nur M/4 Fensterkoeffizienten und die jeweiligen Summen
und Unterschiede davon gespeichert. Die Speicheranforderungen
sind kleiner als bei einem Algorithmus, der die Nutzung der Sym
metrie ausschließt, jedoch größer als bei einem Algorithmus, der
ausschließlich von der Symmetrie abhängt.
Um den Aufbau von Fig. 9 zu verwenden, werden C2[n], Csum[
n] und Csub[n] von Fig. 10 aus einem Koeffizienten C[n], der für
den internationalen Standard benutzt wird, nach den folgenden
Gleichungen (54) und (55) definiert, vorher berechnet und zur
Verwendung gespeichert.
Die folgende Gleichung (56) wird unter Verwendung der Glei
chungen (42b) und (42c) gebildet:
die geschrieben werden kann als:
Nach der Verarbeitung im Analysefilter kann die Gleichung
(42a) geschrieben werden als:
Über denselben Prozeß kann die Gleichung (57) geschrieben
werden als:
Die Gleichungen (42a) und (59b), die Gleichungen (57b) und
(58a) und die Gleichung (52) haben die gleiche Struktur. Fig. 9
kann daher dazu benutzt werden, die Operationen für diese Glei
chungen durchzuführen. Fig. 11 zeigt den Fall, in dem die Glei
chungen (42a) und (59b) zusammen ausgeführt werden und die Glei
chungen (57b) und (58a) zusammen ausgeführt werden, vorausge
setzt das K=8 und M=32. Dieser Aufbau hat Fensterkoeffizienten
und Speicheranforderungen für seine Rechenwerte. Die Speicheran
forderungen 3/2 KM sind kleiner als die eines Algorithmus ohne
Symmetrie, d. h. 2KM und größer als die eines Algorithmus, der
ausschließlich von der Symmetrie abhängt, d. h. 1KM. Ein derarti
ger Aufbau kann jedoch im Gegensatz zu den obigen zwei Algorith
men die Operationskomplexität herabsetzen.
Um den Aufbau von Fig. 9 zu benutzen, werden D2[n], Dsum[
n], Dsub[n], die in Fig. 11 benutzt werden, aus dem Koeffizien
ten D[n] der im internationalen Standard benutzt wird,
definiert, wie es in den Gleichungen (60), (61) und (62) angege
ben ist, und zur Benutzung vorher gespeichert.
Die schnellen Algorithmen, die auf die drei Analyse- und
Synthesefilteralgorithmen gemäß der Erfindung angewandt werden,
wurden hinsichtlich ihrer Ausführung, d. h. Operationskomplexität
und Speicheranforderungen verglichen. Um die Gesamtanzahl an
Operationen des internationalen Standard und des Verfahrens
gemäß der Erfindung mit der Anzahl an Operationen eines Verfah
rens, das von Iwadare vorgeschlagen wurde, und eines Verfahrens
zu vergleichen, das von Konstantides vorgeschlagen wurde, sind
die Anzahl an Addition und Multiplikationen so, wie es in der
Tabelle 1 angegeben ist. Im internationalen Standard ist K=8 und
M=32. Die Anzahl an Operationen für K=8 und M=32 ist insbeson
dere in Tabelle 1 dargestellt. Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß
ein Algorithmus, der die Fenstersymmetrie berücksichtigt, die
kleinste Anzahl von Operationen verwendet.
Um die Fenstermultiplikationen herabzusetzen, werden die
Fensterkoeffizienten, die im schnellen Analysefilteralgorithmus
definiert und in Fig. 10 benutzt werden, nach den Gleichungen
(53), (54) und (55) berechnet, wie es in Fig. 12 dargestellt
ist. Die Fensterkoeffizienten, die in Fig. 11 benutzt werden,
können nach den Gleichungen (60), (61) und (62) berechnet wer
den, die entsprechenden Werte sind in Fig. 13 dargestellt.
Wie es oben beschrieben wurde, haben der Toncodierer und
Tondecodierer, die mit Hochgeschwindigkeitsanalyse- und synthe
sefilteralgorithmen gemäß der Erfindung arbeiten die folgenden
Vorteile: (1) Die Operationen in einem Bandfilter können mit
hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden, da die Anzahl an Opera
tionen des Bandfilters, die für den internationalen MPEG Stan
dard 11172-3 benutzt wird, herabgesetzt ist. (2) Es kann Spei
cherplatz für die Fensterkoeffizienten eingespart werden, indem
die Symmetrie der Fensterkoeffizienten bei der Verwirklichung
eines Hochgeschwindigkeitsbandfilters ausgenutzt wird. (3) Wenn
die Hardware nur für den MPEG Tonstandard unter Verwendung des
Hochgeschwindigkeitsfilteralgorithmus ausgelegt wird, kann ein
langsamer Prozessor benutzt werden, so daß die nur für diesen
speziellen Verwendungszweck benutzte Hardware mit geringeren
Kosten verbunden ist. (4) Es kann ein in Echtzeit arbeitender
MPEG Tondecodierer in einem Allzweckprozessor unter Verwendung
des schnellen Filteralgorithmus verwirklicht werden.
Claims (7)
1. Toncodier- und Tondecodiervorrichtung mit einem Tonco
dierer, der mit einem Hochgeschwindigkeitsanalysefilteralgorith
mus arbeitet, und mit einem Tondecodierer, der mit einem Hoch
geschwindigkeitssynthesefilteralgorithmus arbeitet, dadurch
gekennzeichnet, daß der Toncodierer
eine Abbildungseinheit zum Klassifizieren eines empfangenen Tonsignals nach einem Frequenzband unter Verwendung des Hoch geschwindigkeitsbandanalysefilteralgorithmus,
ein psychoakustisches Modell zum Zuordnen von Bit zu jedem Frequenzband unter Verwendung der psychoakustischen Charakteri stiken,
Eine Quantisierungs- und Codierungseinheit zum Quantisieren und Codieren des abgebildeten Signals nach Maßgabe der Anzahl von Bit, die jedem Frequenzband zugeordnet sind, und
eine Datenblockbildungseinheit zum Erzeugen eines Bitstro mes aus dem Ausgangssignal von der Quantisierungs- und Codie rungseinheit umfaßt und der Tondecodierer
eine Datenblockentpackungseinheit zum Entpacken eines Sig nals aus einem codierten und empfangenen Bitstrom,
eine Decodier- und Umkehrquantisierungseinheit zum Decodie ren und Umkehrquantisieren des quantisierten Signals und
eine Umkehrabbildungseinheit zur Zeit/Frequenzumkehrabbil dung des umkehrquantisierten Signals unter Verwendung des Hoch geschwindigkeitsbandsynthesefilteralgorithmus umfaßt.
eine Abbildungseinheit zum Klassifizieren eines empfangenen Tonsignals nach einem Frequenzband unter Verwendung des Hoch geschwindigkeitsbandanalysefilteralgorithmus,
ein psychoakustisches Modell zum Zuordnen von Bit zu jedem Frequenzband unter Verwendung der psychoakustischen Charakteri stiken,
Eine Quantisierungs- und Codierungseinheit zum Quantisieren und Codieren des abgebildeten Signals nach Maßgabe der Anzahl von Bit, die jedem Frequenzband zugeordnet sind, und
eine Datenblockbildungseinheit zum Erzeugen eines Bitstro mes aus dem Ausgangssignal von der Quantisierungs- und Codie rungseinheit umfaßt und der Tondecodierer
eine Datenblockentpackungseinheit zum Entpacken eines Sig nals aus einem codierten und empfangenen Bitstrom,
eine Decodier- und Umkehrquantisierungseinheit zum Decodie ren und Umkehrquantisieren des quantisierten Signals und
eine Umkehrabbildungseinheit zur Zeit/Frequenzumkehrabbil dung des umkehrquantisierten Signals unter Verwendung des Hoch geschwindigkeitsbandsynthesefilteralgorithmus umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation DCT
dadurch ausführt, daß sie ein Signal, das durch Multiplikation
von Fensterkoeffizienten gebildet wird, und ein empfangenes
Tonsignal in mehrphasige Komponenten unter Verwendung der fol
genden Gleichungen aufteilt:
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation DCT
ausführt, indem sie ein Signal, das durch Multiplikation von
Fensterkoeffizienten erhalten wird, und ein empfangenes Tonsig
nal in mehrphasiger Komponenten unter Verwendung der folgenden
Gleichungen aufteilt:
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation DCT
dadurch ausführt, daß sie ein Signal, das durch die Multiplika
tion von Fensterkoeffizienten erhalten wird, und ein empfangenes
Tonsignal in mehrphasige Komponenten unter Ausnutzung der Sym
metrie der Fensterkoeffizienten aufteilt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umkehrabbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation
DCT an Signalen ausführt, die transformierten Signale fenster
synthetisiert, mehrphasige Komponenten zuaddiert und ein rekon
struiertes Signal ausgibt, indem sie die folgenden Gleichungen
verwendet:
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umkehrabbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation
DCT an Signalen ausführt, die transformierten Signale fenster
synthetisiert, mehrphasige Komponenten zuaddiert und ein rekon
struiertes Signal ausgibt, indem sie die folgenden Gleichungen
verwendet:
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umkehrabbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation
DCT an Signale ausführt, die transformierten Signale fenstersyn
thetisiert, mehrphasige Komponenten zuaddiert und ein rekonstru
iertes Signal ausgibt, indem sie die Symmetrie der Fensterkoef
fizienten ausnutzt.
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