Сжатие и расширение данных звукового сигнала - RU2178618C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к устройству сжатия данных для сжатия данных звукового сигнала, к способу сжатия данных, передатчику, содержащему устройство сжатия данных, записывающему устройству, содержащему устройство сжатия данных, носителю записи, имеющему звуковой сигнал со сжатыми данными, записанный на дорожку упомянутого носителя записи, к устройству расширения данных для расширения звукового сигнала со сжатыми данными, к способу расширения данных, к приемнику, содержащему устройство расширения данных, и к воспроизводящему устройству, содержащему устройство расширения данных.

Сжатие данных звукового сигнала хорошо известно в уровне техники. В этой связи делается ссылка на заявку EP 402973 [1] . Этот документ описывает кодер поддиапазона, в котором звуковой сигнал преобразуется аналого-цифровым способом с конкретной частотой дискретизации, такой как 44,1 кГц, и полученные выборки в виде, например, 24-разрядных слов звукового сигнала подаются в поддиапазонный расщепляющий фильтр. Поддиапазонный расщепляющий фильтр расщепляет широкополосный цифровой звуковой сигнал на множество относительно узкополосных поддиапазонных сигналов. С использованием психоакустической модели выделяется замаскированный порог, и в блоках выборок поддиапазонных сигналов последовательно осуществляется квантование конкретным числом разрядов на выборку для каждого блока поддиапазонных сигналов, в ответ на упомянутый замаскированный порог, что выражается в значительном сжатии данных звукового сигнала, подлежащего передаче. Проводимое сжатие данных основано на "отбрасывании" тех компонентов в звуковом сигнале, которые не слышимы, и представляет собой, таким образом, способ сжатия с потерями. Сжатие данных, описанное в [1] , в какой-то степени является предпочтительным способом сжатия данных, но требует значительного количества логических элементов или команд при реализации соответственно в аппаратном или программном обеспечении, таким образом этот способ является дорогостоящим. Кроме того, последующее устройство расширения также требует значительного количества логических элементов или команд при реализации соответственно в аппаратном или программном обеспечении.

Изобретение направлено на создание более простого устройства сжатия данных для сжатия данных звукового сигнала, а также более простого и менее дорогого соответствующего устройства расширения.

Устройство сжатия данных в соответствии с изобретением содержит:
средство ввода для приема звукового сигнала,
средство преобразования для выполнения преобразования звукового сигнала, обеспечивающее получение одноразрядного сигнала разрядной последовательности, при этом средство преобразования содержит средство сигма-дельта модуляции,
средство кодирования без потерь для выполнения сжатия данных над сигналом разрядной последовательности без существенных потерь, обеспечивающее получение сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными и
средство вывода для подачи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными. Конкретнее, когда звуковой сигнал является аналоговым звуковым сигналом, средство преобразования выполнено в виде средства аналого-цифрового преобразования для выполнения одноразрядного аналого-цифрового преобразования аналогового звукового сигнала, обеспечивающего получение упомянутого сигнала разрядной последовательности.

Изобретение основано на следующем положении. Звуковой сигнал может подаваться в аналоговом или в цифровом виде. При аналого-цифровом преобразовании, в соответствии с изобретением, аналоговый звуковой сигнал с одноразрядным аналого-цифровым преобразователем (называемым также преобразователем разрядной последовательности или сигма-дельта модулятором), звуковой сигнал, подлежащий аналого-цифровому преобразованию, дискретизируется с частотой, которая обычно является множеством из частот 44,1 кГц или 48 кГц. Выходной сигнал одноразрядного аналого-цифрового преобразователя является двоичным сигналом, называемым сигналом разрядной последовательности. Когда звуковой сигнал подается в цифровом виде, дискретизированном, например, на 44,1 кГц, причем выборки выражены, например, в 16 разрядах на выборку такой цифровой звуковой сигнал избыточно дискретизируется с частотой, которая снова является множеством из дискретизирующей частоты 44,1 кГц (или 48 кГц), что выражается в одноразрядном сигнале разрядной последовательности. Преобразование звукового сигнала в одноразрядный сигнал разрядной последовательности имеет ряд преимуществ. Преобразование разрядной последовательности является способом кодирования с высоким качеством с возможностью декодирования с высоким качеством или декодирования с низким качеством с последующим преимуществом в более простой декодирующей схеме. В этой связи делается ссылка на публикации "A digital decimating filter for analog-to digital conversion of hi-fi audio signals" (Цифровой прореживающий фильтр для аналого-цифрового преобразования звуковых сигналов класса hi-fi), автор J. J. van der Kam, [2] и "A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D converters" (Топология более высокого порядка для интерполирующих модуляторов для избыточного дискретизирующих аналого-цифровых преобразователей), авторы Kirk C. H. et al. , [3] .

Одноразрядные цифроаналоговые преобразователи используются в проигрывателях компакт-дисков, например, для обратного преобразования звукового сигнала разрядной последовательности в аналоговый звуковой сигнал. Однако, звуковой сигнал, записанный на компакт-диске, не является одноразрядным сигналом разрядной последовательности со сжатыми данными.

В уровне техники общеизвестно, что получаемый из одноразрядного аналого-цифрового преобразователя сигнал разрядной последовательности является, грубо говоря, случайным сигналом, который имеет "шумоподобный" спектр частот. Такие типы сигналов трудны для сжатия данных.

Однако неожиданно было установлено, что при использовании кодера без потерь, такого как кодер переменной длины в виде кодера Хаффмена или арифметического кодера, может быть получено значительное сокращение данных, несмотря на шумовой характер сигнала разрядной последовательности от одноразрядного аналого-цифрового преобразователя.

Эти и другие аспекты изобретения станут ясны и будут разъяснены далее со ссылками на выполнения, описанные в нижеследующих описаниях чертежей, на которых:
фиг. 1 показывает выполнение устройства сжатых данных;
фиг. 2A - спектр частот выходного сигнала одноразрядного аналого-цифрового преобразователя, а фиг. 2B показывает спектр частот того же выходного сигнала в меньшем частотном диапазоне;
фиг. 3 - устройство сжатия данных, включенное в записывающее устройство для записи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными на носителе записи;
фиг. 4 - устройство сжатия данных, включенное в передающее устройство для передачи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными через передающую среду;
фиг. 5 - выполнение устройства расширения данных;
фиг. 6 - устройство расширения данных, включенное в воспроизводящее устройство для воспроизведения сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными с носителя записи;
фиг. 7 - устройство расширения данных, включенное в приемное устройство для приема сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными из передающей среды;
фиг. 8 - последующее выполнение записывающего устройства, далее снабженного кодером с исправлением ошибок и канальным кодером;
фиг. 9 - последующее выполнение воспроизводящего устройства, далее снабженного канальным декодером и блоком исправления ошибок;
фиг. 10 - выполнение устройства сжатия данных, в котором кодер без потерь выполнен в виде арифметического кодера;
фиг. 11 - выполнение устройства расширения данных, в котором кодер без потерь выполнен в виде арифметического декодера.

Фиг. 1 показывает выполнение устройства сжатия данных, содержащего терминал 1 ввода для приема звукового сигнала. В настоящем примере звуковой сигнал является аналоговым звуковым сигналом. Терминал 1 ввода подключен ко входу 2 одноразрядного аналого-цифрового преобразователя 4, также называемого сигма-дельта модулятором. Выход 6 одноразрядного аналого-цифрового преобразователя 4 подключен ко входу 8 блока 10 сжатия данных. Выход 12 блока 10 сжатия данных подключен к выходному терминалу 14.

Одноразрядный аналого-цифровой преобразователь 4 приспособлен для выполнения одноразрядного аналого-цифрового преобразования звукового сигнала и обеспечивает получение сигнала разрядной последовательности, который подается на выход 6. Для этой цели аналого-цифровой преобразователь 4 принимает частоту дискретизации, равную N•f_s, через вход 16. f_s является частотой, равной, например, 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц, а N - это большое число, такое как 64. Звуковой сигнал дискретизируется в аналого-цифровом преобразователе 4 на частоте дискретизации, например, 2,8224 МГц (64•44,1 кГц). Сигнал разрядной последовательности, появляющийся на выходе 6 аналого-цифрового преобразователя, имеет, таким образом, скорость передачи разрядов 2,8224 МГц.

Блок 10 сжатия данных выполнен в виде кодера без потерь. Кодеры без потерь имеют преимущество в том, что они могут сжимать данные звукового сигнала таким образом, что после расширения данных декодером без потерь исходный звуковой сигнал может быть восстановлен без существенных потерь. Это означает, что после сжатия-расширения практически отсутствует потеря информации. Кодеры без потерь могут быть выполнены в виде кодера переменной длины. Кодеры переменной длины хорошо известны в уровне техники. Примерами таких кодеров переменной длины являются кодеры Хаффмена, арифметические кодеры и кодеры Лемпеля-Зива. В этой связи делается ссылка на публикации "A method for the construction of minimum-redundancy codes" (Способ конструирования кодов с минимальной избыточностью), автор D. A. Huffman, [4] ; "An introduction to arithmetic codihg" (Введение в арифметическое кодирование), автор G. G. Langdon, [5] и "A universal algorithm for sequential data compression" (Универсальный алгоритм для последовательного сжатия данных), авторы J. Ziv et al. , [6] .

Блок 10 сжатия данных выполняет операцию сжатия данных сигнала разрядной последовательности без существенных потерь для получения на своем выходе 12 сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными, который подается на выходной терминал 14.

Фиг. 2A показывает спектр частот сигнала разрядной последовательности, имеющегося на выходе 6 аналого-цифрового преобразователя 4, для входного сигнала в виде синусоиды с частотой 5 кГц, дискретизированной на частоте дискретизации 2,8224 МГц. Спектр таким образом показывает частоты между 0 Гц и 1,4 МГц. Фиг. 2B показывает часть спектра, показанного на фиг. 2A, а именно, часть между 0 Гц и 100 кГц так, чтобы более ясно показать синусоиду с частотой 5 кГц, содержащуюся в сигнале разрядной последовательности. Отчетливо виден шумоподобный характер сигнала разрядной последовательности, особенно в высокочастотной области, который означает, что проведение сжатия данных упомянутого сигнала не выразится в сокращении значительного количества данных.

В противоположность этому, исследования ясно показали, что может быть достигнуто значительное сокращение данных. В таблице результаты сжатия данных, осуществленного тремя кодерами без потерь, даны для трех различных музыкальных фрагментов.

Фиг. 3 показывает выполнение записывающего устройства, содержащего устройство сжатия данных, показанное на фиг. 1. Записывающее устройство далее содержит записывающий блок 30 для записи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными на дорожку носителя 32 записи. В настоящем примере носитель 32 записи является магнитным носителем записи, таким образом записывающий блок 30 содержит, по меньшей мере, одну магнитную головку 34 для записи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными на носитель 32 записи. Однако носитель записи может быть оптическим носителем записи, таким как компакт-диск или цифровой видеодиск (ЦВД).

Фиг. 4 показывает выполнение передатчика для передачи звукового сигнала через передающую среду ПрдСр, содержащего устройство сжатия данных, показанное на фиг. 1. Передатчик далее содержит передающий блок 40 для подачи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными в передающую среду ПрдСр. Передающий блок 40 может содержать антенну 42.

Передача через передающую среду, такую как радиочастотная линия связи или носитель записи, обычно требует кодирования с исправлением ошибок и канального кодирования, проведенных над сигналом разрядной последовательности со сжатыми данными, подлежащим передаче. Фиг. 8 показывает такие операции обработки сигнала, проводимые над сигналом разрядной последовательности со сжатыми данными для записывающего устройства по фиг. 3. Поэтому записывающее устройство по фиг. 8 содержит кодер 80 с исправлением ошибок, хорошо известный в уровне техники, и канальный кодер 82, также хорошо известный в уроне техники.

Фиг. 5 показывает выполнение устройства расширения данных. Устройство имеет терминал 50 ввода для приема звукового сигнала со сжатыми данными, который имеет вид сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными, поданного устройством сжатия данных по фиг. 1. Терминал 50 ввода подключен ко входу 52 блока 54 расширения данных, который имеет выход 56, подключенный ко входу 58 одноразрядного цифроаналогового преобразователя 60. Выход 62 преобразователя 60 подключен к выходному терминалу 64.

Блок 54 расширения данных является декодером без потерь, таким как декодер переменной длины, выполненный в виде, например, декодера Хаффмана или арифметического декодера. Очевидно, что декодер в устройстве расширения данных по фиг. 5 должен быть инверсным по отношению к кодеру, использованному в устройстве сжатия данных по фиг. 1, для реализации операции кодирования-декодирования без существенных потерь. Блок 54 расширения данных расширяет разрядную последовательность со сжатыми данными таким образом, чтобы получить копию исходной разрядной последовательности, которая подается на вход 58 цифроаналогового преобразователя 60. Преобразователь 60 преобразует разрядную последовательность в аналоговый звуковой сигнал, который подается на терминал 64.

Фиг. 6 показывает устройство расширения данных по фиг. 5, включенное в воспроизводящее устройство. Воспроизводящее устройство далее содержит считывающий блок 70 для считывания сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными с дорожки носителя 32 записи. В настоящем примере носитель 32 записи является магнитным носителем записи, так что считывающий блок 70 содержит, по меньшей мере, одну магнитную головку 72 для считывания сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными с носителя 32 записи. Однако носитель записи может быть оптическим носителем записи, таким как компакт-диск или цифровой видеодиск ЦВД.

Фиг. 7 показывает выполнение приемника для приема звукового сигнала через передающую среду ПрдСр, содержащего устройство расширения данных, показанное на фиг. 5. Приемник далее содержит приемный блок 75 для приема сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными из передающей среды ПрдСр. Приемный блок 75 может содержать антенну 77.

Как было объяснено выше, передача через передающую среду, такую как радиочастотная линия связи или носитель записи, обычно требует кодирования с исправлением ошибок и канального кодирования, выполненных над сигналом разрядной последовательности со сжатыми данными, подлежащим передаче, таким образом, соответствующие канальное декодирование и исправление ошибок могут быть выполнены при приеме. Фиг. 9 показывает операции обработки сигнала: канальное декодирование и исправление ошибок, проводимые над принятым сигналом, принятым считывающим средством 70 для воспроизводящего устройства по фиг. 6. Поэтому воспроизводящее устройство по фиг. 9 содержит канальный декодер 90, хорошо известный в уровне техники, и блок 92 исправления ошибок, также хорошо известный в уровне техники, для получения копии сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными.

Другое устройство сжатия данных показано на фиг. 10. В устройстве сжатия данных по фиг. 10 сигнал разрядной последовательности подается на вход 8 кодера без потерь, который выполнен в виде энтропийного кодера, такого как арифметический кодер 154. Далее, сигнал разрядной последовательности также является входным сигналом блока 152 предсказывающего фильтра. Выход блока 152 предсказывающего фильтра подключен ко входу блока 156 определения вероятности. Арифметический кодер 154 кодирует сигнал разрядной последовательности в сигнал разрядной последовательности со сжатыми данными в ответ на значения p вероятности, поданные на его вход 192. Блок 156 определения вероятности определяет значение вероятности, показывающее вероятность того, что разряд в сигнале разрядной последовательности, поданном на блок 4 преобразователя, имеет заранее заданное логическое значение, например, "1". Это значение вероятности, обозначенное p на фиг. 10, подается на арифметический кодер 154 для разрешения сжатия данных сигнала разрядной последовательности в арифметическом кодере 154. Определяющий блок 156 определяет это значение вероятности из выходного сигнала предсказывающего фильтра 152. Арифметический кодер 154 может сжимать сигнал разрядной последовательности на покадровой основе.

Работа устройства по фиг. 10 происходит следующим образом. Предсказывающий фильтр 152 реализует предсказывающую фильтрацию сигнала разрядной последовательности так, чтобы получить многоразрядный выходной сигнал. Многоразрядный выходной сигнал имеет множество уровней внутри диапазона, например, от +3 до -3. Далее, для каждого множества подынтервалов в диапазоне значений многоразрядного выходного сигнала определяется вероятность того, что соответствующий разряд в сигнале разрядной последовательности является, например, разрядом "1". Это может быть реализовано путем подсчета количества "единиц" и "нулей", появляющихся в сигнале разрядной последовательности в течение определенного промежутка времени, когда многоразрядный выходной сигнал попадает в один из таких диапазонов. Получаемые таким образом вероятности для различных значений в многоразрядном выходном сигнале последовательно подаются как сигнал p вероятности на арифметический кодер 154. Сигнал разрядной последовательности со сжатыми данными подается арифметическим кодером на выходную линию 158 для передачи через передающую среду ПрдСр или носитель записи.

Фиг. 11 показывает соответствующее устройство расширения данных для декодирования сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными, полученного через передающую среду ПрдСр. Устройство обработки данных по фиг. 11 содержит энтропийный декодер 172, который принимает сигнал разрядной последовательности со сжатыми данными через вход 174. В настоящем примере энтропийный декодер 172 выполнен в виде арифметического декодера, который выполняет операцию арифметического декодирования сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными под воздействием сигнала p вероятности, поданного на вход 176 для выработки копии исходного сигнала разрядной последовательности, который подается на выход 178. Копия подается на вход 58 блока 60 обратного преобразования.

Далее, имеется блок 180 подачи вероятности для подачи сигнала p вероятности на арифметический декодер 172. Сигнал p вероятности может быть получен различными путями в зависимости от того, как сигнал вероятности был получен в кодере. Один из путей - получать сигнал p вероятности адаптивным путем из выходного сигнала предсказывающего фильтра 181. В этом выполнении предсказывающий фильтр 181 эквивалентен предсказывающему фильтру 152 в кодере, и блок 180 подачи вероятности эквивалентен блоку 156 определения вероятности в кодере по фиг. 10. Другим путем формирования сигнала p вероятности является использование дополнительной информации, принятой через передающую среду ПрдСр, как будет объяснено ниже.

Дополнительная информация может вырабатываться устройством по фиг. 10 для передачи на устройство 11. Такая дополнительная информация может включать в себя коэффициенты фильтрации для фильтра 152, которые определяются на покадровой основе, и эти коэффициенты передаются на соответствующий предсказывающий фильтр, подключенный к блоку 180.

Далее, устройство по фиг. 10 может вырабатывать параметры, которые описывают преобразование многоразрядного выходного сигнала предсказывающего фильтра 152 в сигнал p вероятности. Такие параметры также включаются в дополнительную информацию и передаются на блок 180 подачи и фильтр 181, чтобы разрешить формирование сигнала p вероятности в устройстве по фиг. 11 на основе многоразрядного выходного сигнала, поданного предсказывающим фильтром 181.

Энтропийный кодер, используемый в выполнении по фиг. 10, приспособлен для кодирования сигнала разрядной последовательности с использованием сигнала вероятности для получения сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными. Одним таким энтропийным кодером является арифметический кодер, описанный выше. Другим типом такого энтропийного кодера является, например, хорошо известный кодер ограниченных состояний. Энтропийный декодер, используемый в выполнении по фиг. 11, приспособлен для декодирования сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными с использованием сигнала вероятности для получения копии сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными. Одним таким энтропийным декодером является арифметический декодер, описанный выше. Другим типом такого энтропийного декодера является, например, хорошо известный декодер ограниченных состояний.

Хотя изобретение описывалось со ссылками на предпочтительные выполнения, должно быть понятно, что эти примеры не ограничивают объем изобретений. Таким образом, различные изменения могут стать очевидными для специалистов без выхода за пределы объема изобретений, как они заявлены в формуле изобретений. Когда звуковой сигнал подается в цифровом виде, например, дискретизированным на частоте 44,1 кГц, и выборки выражаются, например, в 16 разрядах, средство преобразования адаптируется для избыточной дискретизации цифрового звукового сигнала с частотой, например, 64•44,1 кГц, для получения одноразрядного сигнала разрядной последовательности.

Дальше следует отметить, что в изобретении также применяется выполнение, в котором сигнал разрядной последовательности, поданный преобразователем 4, подвергается дополнительной операции обработки сигнала, выражающейся в обработанном одноразрядном сигнале разрядной последовательности, который подается на кодер 10 без потерь. Такая дополнительная операция обработки сигнала может включать в себя объединение левого и правого компонентов стереозвукового сигнала в одноразрядном виде разрядной последовательности в обработанный одноразрядный сигнал разрядной последовательности.

Далее, изобретение охватывает каждый новый признак или сочетание признаков.

Список использованных документов
1. Заявка EP 402973 (PHN 13.241).

2. "A digital decimating filter for analog-to-digital conversion of hi-fi audio signals" (Цифровой прореживающий фильтр для аналого-цифрового преобразования звуковых сигналов класса hi-fi) автор J. J. van der Kam, в Philips Techn. Rev. 42, N 6/7, April 1986, pp. 230-238.

3. "A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D converters" (Топология более высокого порядка для интерполирующих модуляторов для избыточно дискретизирующих аналого-цифровых преобразователей), авторы Kirk C. H. et al. , в IEEE Trans. on Circuits abd Systems, Vol. 37, N 3, March 1990, pp. 309-318.

4. "A method for the construction of minimum-redundancy codes" (Способ конструирования кодов с минимальной избыточностью), автор D. A. Huffman, в Proc. of the IRE, Vol. 40 (10), September 1952.

5. "An introduction to arithmetic coding" (Введение в арифметическое кодирование), автор G. G. Langdon, в IBM J. Res. Develop. Vol. 28(2), March 1984.

6. "A universal algorithm for sequential data compression" (Универсальный алгоритм для последовательного сжатия данных), авторы J. Ziv et al. , в IEEE Trans. on Inform. Theory, Vol. IT-23, 1977.

Реферат

Изобретение относится к средствам сжатия данных для сжатия данных звукового сигнала. Техническим результатом является упрощение средств сжатия и снижение их стоимости. При этом устройство сжатия данных содержит терминал ввода для приема звукового сигнала, одноразрядный аналого-цифровой преобразователь для аналого-цифрового преобразования звукового сигнала, обеспечивающий получение сигнала разрядной последовательности, кодер без потерь для выполнения сжатия данных сигнала разрядной последовательности без потерь, обеспечивающий получение сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными, и выходной терминал для подачи сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными. Предложены также записывающее устройство и передатчик, содержащие устройство сжатия данных, также устройство расширения данных для расширения данных сигнала разрядной последовательности со сжатыми данными, поданного устройством сжатия данных, а также раскрыты воспроизводящее устройство и приемник, содержащие устройство расширения данных. 13 с. и 17 з. п. ф-лы, 11 ил. , 1 табл.

Формула