DE19639000A1 - Toncodier- und Tondecodiervorrichtung - Google Patents

Toncodier- und Tondecodiervorrichtung

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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.
1-1) Internationaler Standard
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:
1-2) Schneller Algorithmus I
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.
1-3) Schneller Algorithmus II
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:
2-1) Internationaler Standard
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.
2-2) Schneller Algorithmus I
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.
2-3) Schneller Algorithmus II
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)
3-1) Analysefilter
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.
3-2) Synthesefilteralgorithmus
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.
Tabelle 1
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.
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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