DE19639000B4

DE19639000B4 - Toncodier- und Tondecodiervorrichtung

Info

Publication number: DE19639000B4
Application number: DE19639000A
Authority: DE
Inventors: Sung-Hee Park
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1996-09-23
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2016-09-24
Also published as: JP3475344B2; US5809474A; KR970019120A; NL1004080A1; KR100346734B1; FR2739237A1; GB2305583A; NL1004080C2; GB2305583B; DE19639000A1; FR2739237B1; JPH09162745A; GB9619772D0

Abstract

Toncodiervorrichtung, umfassend:
– eine Abbildungseinheit zum Klassifizieren eines empfangenen Tonsignals nach einem Frequenzband unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsbandanalysefilteralgorithmus, wobei die Abbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation DCT ausführt, indem sie ein Signal, das durch Multiplikation von Fensterkoeffizienten erhalten wird, und das empfangenes Tonsignal in mehrphasige Komponenten unter Verwendung der folgenden Gleichungen aufteilt:

wobei UM_m-2s-1[p] einer Funktion entspricht, die wie folgt definiert ist:

wobei UM_m-2s[p] einer Funktion entspricht, die wie folgt definiert ist:

wobei das Eingangstonsignal in m-Blöcke unterteilt ist und m einer Blocknummer entspricht, Z_M {} ein Zeitverzögerungsoperator ist, X_m[k] ein Signal aus einem aus dem m-ten Block des Eingangstonsignals transformierten k-ten Frequenzband ist und k einer Frequenzbandnummer entspricht, K eine Konstante ist, die proportional zu einer Beziehung zwischen einer Fenstergröße eines Analysefensters und einer Größe eines der k-Frequenzbänder ist, M eine Zahl ist, welche die Größe eines unterteilten Frequenzbandes der k-Frequenzbänder anzeigt, x_m[k] einem m-ten Signalblock entspricht, der durch Formatieren des...

Description

Die Erfindung betrifft eine Toncodier- und Tondecodiervorrichtung, die insbesondere mit Hochgeschwindigkeitsanalyse- und -synthesefilteralgorithmen jeweils arbeitet, und bei der die Anzahl der für die Operationen in einem standardisierten Filter erforderlichen Multiplikationen dadurch veringert 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 internaionale 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 Nachrichtenübertragungsleitung an eine Decodiervorrichtung rekonstruiert werden kann. Ein Bitstrom, der durch eine Codiervorrichtung codiert wurde, kann weiterhin über eine Nachrichtenübertragungsleitung in einer Decodiervorrichtung direkt in ein Tonsignal rekonstruiert werden.
Bei der Ausbildung von derartigen Codier- und Decodiervorrichtungen 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 Bandsynthesefilteralgorithmus verbraucht. Somit steht die Frage, wie leistungsfähig die Analyse- und Synthesefilteralgorithmen ausgebildet sind, in einer engen Beziehung mit der leistungsfähigen Ausbildung der Toncodier- und Tondecodiervorrichtungen.
Die Verwirklichung eine Toncodier- und Tondecodiervorrichtung in einer ausschließlich dazu benutzten Hardware durch eine leistungsfähige Ausbildung der Analyse- und Synthesefilteralgorithmen senkt daher die Zeit, die zum Codieren und Decodieren benötigt wird, was langsamere und kostengünstigere Prozessoren einsetzbar macht. Aufgrund der zunehmenden Benutzung von Multimediavorrichtungen in Verbindung mit der Entwicklung auf dem Gebiet der Computer, der Nachrichtentechnik und der Rundfunktechnik besteht weiterhin eine steigende Notwendigkeit, ein Tonsignal 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 Möglichkeit der Echtheitverarbeitung in einem Allzweckprozessor hoher Leistung bietet, würden schnelle Algorithmen die Ausführung von Echtzeitverarbeitungssoftwareprogrammen in noch universeller einsetzbaren Prozessoren ermöglichen.
Der Algorithmus der Tonstandardcodierung nach MPEG, d. h. nach der IS 11172-3 verwendet jedoch lediglich Operationsgleichungen 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 Operationen werden zum Abbilden der Kosinuswerte in IS 11172-3 ausgeführt, 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 fensterbezogene 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 Anforderungen an die Speicher beitragen.
EP 0 661 827 A2 sowie die Veröffentlichung von K. Konstantinides „Fast Subband Filtering in MPEG Audio Coding” In: IEEE Signal Processing Letters, vol. 1, No. 2, Februar 1994, Seiten 26–28 beschreiben eine Toncodier- und Decodiervorrichtung mit einem Toncodierer, der mit einem Hochgeschwindigkeitsanalysefilteralgorithmus arbeitet, und mit einem Tondecodierer, der mit einem Hochgeschwindigkeitssynthesefilteralgorithmus arbeitet. Sowohl die Toncodier- und Decodiervorrichtung weisen die bei MPEG Audio Layer II bekannten Codier-Einrichtungen auf, insbesondere eine Subband-Filtereinrichtung zum Unterteilen des Eingangssignals in einzelne Frequenzbänder, ein psychoakustisches Modell zur Berechnung der Maskierungsschwelle innerhalb jedes Subbands, eine adaptive Quantisierungseinrichtung zum Zuteilen von Quantisierungsbits für die Abtastwerte innerhalb der Subbands, abhängig von der berechneten Maskierungsschwelle in den Subbands, einen Bitpaketierer zum Erstellen eines Datenstroms aus den quantisierten Abtastwerten in den Subbands sowie aus den anfallenden Seiteninformationen. Die dazu korrespondierenden Decodier-Einrichtungen umfassen einen Datenstromentpacker zum Entpacken des Datenstroms in die Subband-Abtastwerte und die Codierer-Seiteninformationen, eine Rückwandlungseinheit zum Erzeugen von Subband-Abtastwerten aus den empfangenen Subband-Abtastwerten und den empfangenen Seiteninformationen, eine Subband-Syntheseeinrichtung zum Zusammenführen der decodierten Subband-Tonsignale zu einem Ausgangstonsignal. Die Subband-Filtereinrichtungen werden unter Verwendung des Hochgeschwindigkeitsanalysefilteralgorithmuses und die Subband-Syntheseeinrichtung wird unter Verwendung des Hochgeschwindigkeitssynthesefilteralgorithmuses ausgeführt.
Durch die Erfindung sollen die oben erwähnten Schwierigkeiten beseitigt werden und soll daher eine Toncodiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Tondecodiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 geschaffen werden, die Hochgeschwindigkeitsanalyse- 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 Operationen zu verringern.
Dazu umfasst die erfindungsgemäße Toncodier- und Tondecodiervorrichtung eine Toncodiervorrichtung, die mit einem Hochgeschwindigkeitssynthesefilteralgorithmus arbeitet und eine Abbildungseinheit zum Klassifizieren des empfangenen Tonsignals nach einem Frequenzband unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsbandanalysefilters, ein psychoakustisches Modell zum Zuordnen von Bit zu jedem Frequenzband unter Verwendung der psychoakustischen Charakteristik, eine Quantisierungs- und Codierungseinheit zum Quantisieren und Codieren des abgebildeten Signals nach Maßgabe der Anzahl von Bit, die jedem Frequenzband zugeordnet 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 Umkehrquantisieren des quantisierten Signals und eine Umkehrabbildungseinheit zur Zeit/Frequenzumkehrabbildung des umkehrquantisierten Signals unter Verwendung des Hochgeschwindigkeitsbandsynthesefilteralgorithmus aufweist.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
1 in einem Blockschaltbild den Grundaufbau eines Codierers nach dem internationalen MPEG Standard,
2 in einem Blockschaltbild den Grundaufbau eines Decodierers nach dem internationalen MPEG Standard,
3 in einem Flußidagramm einen Algorithmus für ein Analysefilter, das in dem in 1 dargestellten Codierer nach dem internationalen MPEG Standard verwandt wird,
4 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus I für ein Hochgeschwindigkeitsanalysefilter gemäß der Erfindung,
5 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus II für ein erfindungsgemäßes Hochgeschwindigkeitsanalysefilter,
6 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für ein Analysefilter, das in dem in 2 dargestellten Decodierer nach dem internationalen MPEG Standard verwandt wird,
7 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus I zur Hochgeschwindigkeitssynthesefilterung gemäß der Erfindung,
8 in einem Flußdiagramm einem Algorithmus II für eine Hochgeschwindigkeitssynthesefilterung gemäß der Erfindung,
9 in einem Blockdiagramm die Verringerung der Anzahl von Multiplikationen bei der Berechnung von x = ad – cd und y = ac + bd,
10 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für ein Hochgeschwindigkeitsanalysefilter, der die Symmetrie in Fensterkoeffizienten gemäß der Erfindung ausnutzt,
11 in einem Flußdiagramm einen Algorithmus für eine Hochgeschwindigkeitssynthesefilterung, der die Symmetrie in Fensterkoeffizienten gemäß der Erfindung ausnutzt,
12 C2[128], Csum [128], und Dsub [128], die in 10 benutzt werden, und
13 D2[128], Dsum [128] und Dsub[128], die in 11 benutzt werden.
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Toncodierers, der mit einem Hochgeschwindigkeitsbandanalysefilter arbeitet (Toncodierer nach dem MPEG Standard IS 11172-3).
Der in 1 dargestellte Toncodierer weist einen Abbildner 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 Quantisieren und Codieren des abgebildeten Signals nach Maßgabe der Anzahl von Bit, die einem Band zugeordnet sind, und einen Datenblockbildner 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 internationalen 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 Vorgang der menschlichen Tonwahrnehmung nach, indem insbesondere die Maskierungserscheinung und das kritische Band unter den psychoakustischen Charakteristiken benutzt werden. Das psychoakustische 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 Signalrekonstruktion hereinkommenden Fehler von einem Menschen wahrgenommen werden, indem das Ergebnis von Rechenvorgängen im psychoakustischen Modell 12 benutzt wird.
Der Datenblockbildner 14 kombiniert leistungsfähig die quantisierten Daten mit der zum Decodieren benötigten Information und erzeugt einen Bitstrom nach dem Huffman Codierungsverfahren.
2 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tondecodierers, der mit einem Hochgeschwindigkeitsbandsynthesefilteralgorithmus arbeitet (Tondecodierer nach dem internationalen MPEG Standard IS 11172-3).
Der in 2 dargestellten Decodierer weist einen Datenblockentpacker 21 zum Entpacken eines Signals von einem Eingangsbitstrom, 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 Tondaten 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 1 benutzt 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, x_m[k] das m-te Signal bezeichnet, das durch Formatieren des Eingangssignals in Blöcke erhalten wird, h[n] ein Koeffizient eines Analysefensters ist und x_m[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 3 dargestellten Weise in einen Algorithmus mit K gleich 8 und M gleich 32 dadurch transformiert, 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 internationalen 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 Gleichung (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 x_m[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 Eingangssignals x_m[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 Transformationsgleichung der Gleichung (13) kann als schneller Algorithmus erhalten werden. Der erhaltene Algorithmus kann die Anzahl M² der Multiplikationen auf M/2xlog₂M + 1 reduzieren. Der in 4 dargestellte schnelle Analysefilteralgorithmus kann durch die Gleichungen (13) und (16) erhalten werden. 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 verschieden ist. Dieser Algorithmus zeigt dieselbe Operationskomplexität wie der schnelle Algorithmus I jedoch eine regelmäßigere Beschaffenheit, so daß er für eine parallele Verarbeitung geeignet ist.
Ein Eingangssignal x_m[n] eines m-ten Blockes hat die folgende Beziehung zu einem Eingangssignal x_m-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:
M_m-2s[p] ist in der folgenden Weise durch Transformieren der Gleichungen (18a) bis (18c) definiert:
UM_m-2s-l[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 Gleichung (21) unter Verwendung eines R Sample-Zeit-Verzögerungsoperators 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 UM_m-2s[p] in der Definition der Gleichungen (19) und (20) wie folgt ausgedrückt werden:
Ein bandgeteiltes Signal kann dadurch erhalten werden, daß u[p] nach der Gleichung (23) in der in 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 gespeichert ist, dem Rechenergebnis eines neu eingegebenen Blocksignals zuaddiert wird und daß der addierte Wert im Pufferspeicher gespeichert wird. Die Rechenergebnisse, die im Pufferspeicher gespeichert werden, sind dabei unabhängig, was die Parallelverarbeitung bezüglich des schnellen Algorithmus I erleichtert. 5 zeigt einen schnellen Algorithmus mit K = 8 und M = 32.
Im Umkehrabbildner 23 von 2 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 übertragen 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.
XQ_m[k] der Gleichung (24) ist ein Signal, das eine Quantisierungsstörung einschließt, die bei der Quantisierung und Umkehrquantisierung an dem nach der Gleichung (1) erzeugten Signal x_m[k] erzeugt wird.
Ein Signal, das durch die Gleichung (1) erzeugt wird, hat die folgende Periodizität:
In der Gleichung (25) ist f[n] ein Synthesefensterkoeffizient.
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 Gleichung (24) ausgedrückt werden kann als:
Durch eine Permutation k = 2rM + s (0 ≤ r < k, 0 ≤ s < 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 0 ≤ s < M und l = 2M – 1 – s im Fall von M ≤ s < 2M läßt sich aufgrund der Charakteristik der Gleichung (26b) die Gleichung (29) schreiben als:
Daraus ergibt sich:
wobei xq_m[n] ein umkehrtransformiertes Signal, d. h. ein Umkehrtransformationssignal ist.
Durch die Übertragung einer Information nicht von 2KM Bändern sondern von M Bändern kann ein Signal rekonstruiert werden, indem xq_m 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 Periodizität hat, so daß das auch für das bandsynthetisierte Signal xq_m[n] oder x_m[n] gilt, ergibt sich: xqm[2rM + n] = (–1)'xqm[n], zm[2rM + n] = (–1)'zm[n] (32)
Wenn die Gleichung (25) mit q = 2p und q = 2p + l aufgeteilt wird und die Periodizitäten der Gleichung (32) benutzt werden, ergibt sich:
2-1) Internationaler Standard
Ein Algorithmus, wie er in 6 dargestellt ist, wird für den Tondekodierer von 2 durch Bildung der folgenden Gleichung unter Verwendung der Gleichung (33) erzielt. 6 betrifft den Fall K = 8 und M = 32.
wobei D(n) und V_m[n] wie folgt definiert sind:
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 Synthesefilteralgorithmus. 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 x_m[n] nach der Gleichung (30) berechnet und der berechnete Wert x_m[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/2xlog₂M + 1 herabsetzen. Durch die Gleichungen (3) und (4) und unter der Bedingung K = 8 und M = 32 kann daher ein schneller Synthesefilteralgorithmus erzielt werden, wie er in 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 regelmäßige Beschaffenheit, so daß er sich mehr für eine Parallelverarbeitung eignet.
Um den abweichenden Aufbau einzuführen, wird ein Teil der Gleichung (40) als xbu_m-2s[n] in der folgenden Weise definiert:
Vorausgesetzt das 0 ≤ S < K – 1 kann unter Verwendung des R-Sample-Zeitverzögerungsoperators z_R {} die Gleichung (41) umgeschrieben werden als:
Unter Verwendung der Gleichung (42) kann ein rekonstruiertes Signal aus den Signalen x_m[n] und x_m-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 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 Synthesefilters 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 Speichererfordernisse 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 Ersetzten 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 9 benutzt wird. Diese Operation wird dazu benutzt, die Geschwindigekeit der Multiplikationen komplexer Zahlen zu erhöhen. x = a × d – b × c, y = a × c + b × d (52)
Wenn c und d in 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 Verwendung des Aufbaus von 9 in der in 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. 10 zeigt einen Algorithmus für K = 8 und M = 32. In dem in 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 Symmetrie ausschließt, jedoch größer als bei einem Algorithmus, der ausschließlich von der Symmetrie abhängt.
Um den Aufbau von 9 zu verwenden, werden C2[n], Csum[–n] und Csub[n] von 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 Gleichungen (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. 9 kann daher dazu benutzt werden, die Operationen für diese Gleichungen durchzuführen. 11 zeigt den Fall, in dem die Gleichungen (42a) und (59b) zusammen ausgeführt werden und die Gleichungen (57b) und (58a) zusammen ausgeführt werden, vorausgesetzt das K = 8 und M = 32. Dieser Aufbau hat Fensterkoeffizienten und Speicheranforderungen für seine Rechenwerte. Die Speicheranforderungen 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 derartiger Aufbau kann jedoch im Gegensatz zu den obigen zwei Algorithmen die Operationskomplexität herabsetzen.
Um den Aufbau von 9 zu benutzen, werden D2[n], Dsum[–n], Dsub[n], die in 11 benutzt werden, aus dem Koeffizienten D[n] der im internationalen Standard benutzt wird, definiert, wie es in den Gleichungen (60), (61) und (62) angegeben 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 Verfahrens, 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 insbesondere in Tabelle 1 dargestellt. Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß ein Algorithmus, der die Fenstersymmetrie berücksichtigt, die kleinste Anzahl von Operationen verwendet. Tabelle 1

	Anzahl der Multiplikationen	Anzahl an Additionen
ISO/IEC IS 11172-3	2M² + 2KM 2560	2M² + 2KM – 3M 2464
Iwadare Verfahren	2MlogM + 4 + 2KM 836	3logm + 1 + 2KM – M 961
Konstanstantinide Verfahren	0.5MlogM – M + 1 + 2KM 593	1.5MlogM – M + 1 + 2 KM – M 689
schneller Algorithmus I	0.5MlogM – M + 1 + 2KM – K 585	1.5MlogM – M + 1 + 2KM – M – K 681
Schneller Algorithmus II	0.5MlogM – M + 1 + 2KM – K 585	1.5MlogM – M + 1 + 2KM – M – K 681
Schneller Algorithmus im Fall eines symmetrischen Fensters	0.5MlogM – M + 1 + 1.5KM 465	1.5MlogM – M + 1 + 2KM – 0.5M – K – 1 696

Um die Fenstermultiplikationen herabzusetzen, werden die Fensterkoeffizienten, die im schnellen Analysefilteralgorithmus definiert und in 10 benutzt werden, nach den Gleichungen (53), (54) und (55) berechnet, wie es in 12 dargestellt ist. Die Fensterkoeffizienten, die in 11 benutzt werden, können nach den Gleichungen (60), (61) und (62) berechnet werden, die entsprechenden Werte sind in 13 dargestellt.
Wie es oben beschrieben wurde, haben der Toncodierer und Tondecodierer, die mit Hochgeschwindigkeitsanalyse- und synthesefilteralgorithmen gemäß der Erfindung arbeiten die folgenden Vorteile: (1) Die Operationen in einem Bandfilter können mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden, da die Anzahl an Operationen des Bandfilters, die für den internationalen MPEG Standard 11172-3 benutzt wird, herabgesetzt ist. (2) Es kann Speicherplatz 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

Toncodiervorrichtung, umfassend: – eine Abbildungseinheit zum Klassifizieren eines empfangenen Tonsignals nach einem Frequenzband unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsbandanalysefilteralgorithmus, wobei die Abbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation DCT ausführt, indem sie ein Signal, das durch Multiplikation von Fensterkoeffizienten erhalten wird, und das empfangenes Tonsignal in mehrphasige Komponenten unter Verwendung der folgenden Gleichungen aufteilt:
wobei UM_m-2s-1[p] einer Funktion entspricht, die wie folgt definiert ist:
wobei UM_m-2s[p] einer Funktion entspricht, die wie folgt definiert ist:
wobei das Eingangstonsignal in m-Blöcke unterteilt ist und m einer Blocknummer entspricht, Z_M {} ein Zeitverzögerungsoperator ist, X_m[k] ein Signal aus einem aus dem m-ten Block des Eingangstonsignals transformierten k-ten Frequenzband ist und k einer Frequenzbandnummer entspricht, K eine Konstante ist, die proportional zu einer Beziehung zwischen einer Fenstergröße eines Analysefensters und einer Größe eines der k-Frequenzbänder ist, M eine Zahl ist, welche die Größe eines unterteilten Frequenzbandes der k-Frequenzbänder anzeigt, x_m[k] einem m-ten Signalblock entspricht, der durch Formatieren des empfangenen Tonsignals in Blöcke erhalten wird, C[] einem Filterkoeffizienten entspricht, der durch C[2pM + n] = (–1)^p 1/M h[2pM + n] festgelegt ist, wobei h[] einem Koeffizienten eines Analysefensters entspricht, r eine Zahl im Bereich von Null bis K – 1 ist und p eine Zahl im Bereich von Null bis M – 1 entspricht und s eine Zahl ist, die im Bereich von Null bis K – 1 liegt; – ein psychoakustisches Modell zum Zuordnen von Bit zu jedem Frequenzband unter Verwendung der psychoakustischen Charakteristiken, – eine Quantisierungs- und Codierungseinheit zum Quantisieren und Codieren des klassifizierten Signals nach Maßgabe der Anzahl von Bit, die jedem Frequenzband zugeordnet sind, und – eine Datenblockbildungseinheit zum Erzeugen eines Bitstromes aus dem kodierten, klassifizierten Ausgangssignal von der Quantisierungs- und Codierungseinheit.
Toncodiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation ausführt, indem sie ein Signal, das durch Multiplikation von Fensterkoeffizienten erhalten wird, und das empfangene Tonsignal in mehrphasige Komponenten unter Ausnutzung der Symmetrie der Fensterkoeffizienten aufteilt.
Tondecodiervorrichtung, umfassend: eine Datenblockentpackungseinheit zum Entpacken eines Bitstroms, eine Decodier- und Umkehrquantisierungseinheit zum Decodieren und Umkehrquantisieren des entpackten Bitstroms, und eine Umkehrabbildungseinheit zur Zeit/Frequenzumkehrabbildung des umkehrquantisierten Signals unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsbandsynthesefilteralgorithmus, wobei die Umkehrabbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation an Signalen ausführt, die transformierten Signale fenstersynthetisiert, mehrphasige Komponenten der Fenstersignale zuaddiert und ein rekonstruiertes Signal ausgibt, indem sie die folgenden Gleichungen verwendet:
wobei xbuf_m-2s[n] eine Funktion ist, die wie folgt definiert ist:
wobei D[] eine Funktion ist, die wie folgt definiert ist: D[2pM + n] = (–1)pf[2pM + n], 0 ≤ p < M, 0 ≤ n < 2Mwobei [] ein synthetisierender Fensterkoeffizient ist, K eine Konstante ist, die proportional zu einer Beziehung zwischen einer Fenstergröße und der Größe der unterteilten Frequenzbänder ist, M eine Zahl ist, welche die Größe eines unterteilten Frequenzbandes anzeigt, k eine Zahl ist, welche die Größe der Frequenzbänder anzeigt, m eine Blocknummer jedes Blocks eines Eingangssignals vor dessen Kodierung ist, p eine Zahl im Bereich von Null bis M ist, z_m[] eine Funktion ist, die wie folgt definiert ist:
wobei XQ_m[l] ein Signal ist, das Quantisierungsgeräusch umfasst, welches bei der Quantisierung und Umkehrquantisierung eines Signals x_m[k] eines m-ten Blockes entsteht, das durch Formatieren eines Eingangssignals in Blöcke erhalten wird, l eine Zahl im Bereich von Null bis M – 1 ist, s eine Zahl im Bereich von Null bis K – 1 ist, und n eine Zahl im Bereich von Null bis kleiner als 2M ist.
Tondecodiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrabbildungseinheit eine diskrete Kosinustransformation an Eingangssignalen ausführt, die transformierten Signale fenstersynthetisiert, mehrphasige Komponenten der Fenstersignale zuaddiert und ein rekonstruiertes Signal ausgibt, indem sie die Symmetrie der Fensterkoeffizienten ausnutzt.