DE10119980C1 - Verfahren zur Codierung von Audiodaten - Google Patents
Verfahren zur Codierung von AudiodatenInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Codierung von Audiodaten vorgeschlagen, wobei anhand der erlaubten Fehlerleistung und der Signalleitstung die Quantisierungsgüten für die Quantisierung der Audiodaten ermittelt werden. Dies geschieht mit einer an die eingesetzte Quantisierungsvorschrift angepaßten Schätzung. Mit diesen geschätzten Quantisierergüten wird die Quantisierung und Codierung initialisiert und eine resultierende Bitanzahl berechnet. Diese Bitanzahl wird mit einer Sollbitzahl verglichen. Liegt die Bitanzahl über der Sollbitzahl, werden die Quantisierergüten verschlechtert und die Quantisierung und Codierung erneut durchgeführt, um somit eine geringere Bitanzahl zu erzielen. Wird die Sollbitzahl von der Bitanzahl unterschritten, ist das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Codierung von
Audiodaten nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs.
Es ist bereits bekannt, aus Audiodaten mittels eines
psychoakustischen Modells wichtige Parameter, wie z. B. die
Maskierungsschwelle zu ermitteln. Audiodaten, die unter der
Maskierungsschwelle liegen, sind für das menschliche Ohr
nicht mehr wahrnehmbar. Sie beschreibt also diejenige
Fehlerleistung, die von einer nachfolgenden Quantisierung
nicht überschritten werden darf. Die Audiodaten werden
ferner in den Frequenzbereich transformiert, beispielsweise
mittels einer modifizierten diskreten Cosinustransformation
(MCDT), um sie dann im Frequenzbereich zu quantisieren und
zu codieren. Die Audiodaten liegen ferner in Rahmen vor.
Aus DE 694 18 994 T2 ist eine Kodier- und Dekodiervorrichtung mit einem Kodierabschnitt
zum Kodieren eines aus Musiktonsignal, Sprachtonsignalen oder eine Kombination solcher
Signale bestehenden digitalen Eingangssignals bekannt. Dabei wird eine Kodierung dieser
Audiodaten blockweise durchgeführt. Weiterhin wird das Audiodatensignal in Frequenzbänder
aufgeteilt. Aus DE 42 09 382 C1 ist bekannt, ein digitales Audiosignal durch eine modifizierte
diskrete Kosinustransformation aus den Zeitbereichen und in Frequenzbereich zu transformieren
und das Eingangssignal in unter abgetastete Spektralkomponenten zu zerlegen. Dies wird in
einer Filterbank durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Codierung von Audiodaten
mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat
demgegenüber den Vorteil, dass eine erheblich schnellere
Anpassung der Quantisierungsgüten und damit Formung des
Quantisierungsrauschens möglich ist. Dabei wird durch eine
Schätzung der Quantisierungsgüte das Quantisierungsrauschen
möglichst genau an die Maskierungsschwelle angepasst.
Darüber hinaus wird die Audioqualität nicht beeinträchtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Codierung von Audiodaten
kann sowohl in Hardware als auch in Software implementiert
werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte
Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Verfahrens zur Codierung von Audiodaten möglich.
Dabei ist es von Vorteil, dass bei Überschreitung der
Sollbitzahl die Auflösung der Quantisierer in ausgewählten
Frequenzbändern gesenkt wird, um eine niedrigere Bitanzahl
zu erreichen. Diese niedrigere Bitanzahl wird dann durch
eine erneute Quantisierung und Codierung ermittelt und
erneut mit der Sollbitrate verglichen. Der Abbruch der
Iteration erfolgt bei Unterschreitung der Sollbitrate.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Auflösung des
Quantisierers aus der Fehlerenergie und Signalleistung für
jedes Frequenzband aus einer an die Quantisierungsvorschrift
angepassten Schätzung abgeleitet wird. Damit erfolgt die
Bestimmung der Auflösung des Quantisierers in einem einzigen
Schritt, d. h. ohne Iteration. Dies reduziert den
Rechenaufwand erheblich, wobei für die Schätzung auf einen
funktionalen Zusammenhang zurückgegriffen wird, der von der
verwendeten Quantisierungsvorschrift abhängig ist.
Schließlich ist es auch von Vorteil, dass ein Sender zur
Durchführung des Verfahrens vorliegt, wobei der Prozessor
einen Speicher, eine Quantisierung und eine Codierung
aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1a ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Senders,
Fig. 1b ein Signalflussdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 ein erstes Flussdiagramm,
Fig. 3 ein Energiefrequenzdiagramm,
Fig. 4 ein Fehlerleistungspegel-Skalenfaktordiagramm,
Fig. 5 ein Fehlerleistungspegel-
Signalleistungspegeldiagramm und
Fig. 6 ein zweites Flussdiagramm
Bei digitalen Rundfunkübertragungsverfahren, wie es DAB
(Digital Audio Broadcasting) oder DRM (Digital Radio
Mondial) sind, stellt die Audiocodierung einen
entscheidenden Schritt dar, da hier die verfügbare Bitrate
und die Audioqualität optimiert werden müssen.
Erfindungsgemäß wird nun zunächst die maximal zulässige
Fehlerleistung in Form der Maskierungsschwelle bestimmt und
aus dieser Fehlerleistung und der Signalleistung der
Audiodaten dann die Auflösung der Quantisierer ermittelt, um
die Audiodaten entsprechend zu quantisieren und codieren.
Die sich dabei ergebende Bitanzahl wird mit einer
vorgegebenen Sollbitzahl verglichen, wobei dann bei einem
Unterschreiten der Sollbitzahl die Quantisierung und
Codierung abgeschlossen wird und die Formatierung der
quantisierten und codierten Daten erfolgen kann.
Fig. 1a zeigt als Blockschaltbild einen erfindungsgemäßen
Sender. Eine Datenquelle 8 ist an einen Prozessor 9
angeschlossen, der über einen Datenein-/-ausgang mit einem
Speicher 10 verbunden ist. An den Prozessor 9 ist eine
Quantisierung 11 angeschlossen, die wiederum mit einer
Codierung 12 verbunden ist. Die Codierung 12 ist an einen
Dateneingang eines Modulators 13 angeschlossen, der wiederum
mit einem Verstärker verbunden ist. An einen Ausgang des
Modulators 13 ist eine Antenne 14 angeschlossen.
Die Datenquelle 8 stellt die Audiodaten bereit, die über die
Antenne 14 versendet werden sollen und überträgt sie als
Datenstrom zum Prozessor 9. Der Prozessor 9 transformiert
diese Audiodaten in den Frequenzbereich, beispielsweise
mittels einer modifizierten diskreten Cosinustransformation
(MDCT), und berechnet daraus mittels eines psychoakustischen
Modells die Mithör- oder Maskierungsschwelle. Die
Maskierungsschwelle stellt einen Schwellwert dar, der
wahrnehmbare von nicht wahrnehmbaren Signalkomponenten
trennt. Komponenten mit Signalenergien, die unterhalb dieser
Maskierungsschwelle liegen, werden durch das menschliche
Gehör nicht wahrgenommen. Der Prozessor 9 verwendet den
Speicher 10 zur Durchführung der Transformation und zur
Bestimmung der Maskierungsschwelle. Weiterhin stellt dann
der Prozessor 9 die Maskierungsschwelle und die
transformierten Audiodaten der Quantisierung 11 zur
Verfügung, die eine erfindungsgemäße Quantisierung und
Codierung zusammen mit der Codierung 12 durchführt. Die so
codierten Daten werden dann an den Modulator 13 übergeben,
der gemäß den codierten Daten eine Modulation durchführt.
Bei DAB wird hier die Modulation gemäß QPSK
(Quadraturphasenumtastung) durchgeführt. Darüber hinaus
setzt der Modulator 13 die modulierten Signale auf eine
Zwischenfrequenz um und führt eine Verteilung der
Modulationssymbole auf eng benachbarte Träger durch. Es
findet also die Bildung eines orthogonalen
Frequenzmultiplexes (OFDM) statt. Die so erzeugten OFDM-
Signale werden dann vom Verstärker verstärkt und mit der
Antenne 14 versendet.
Fig. 1b zeigt als Signalflussdiagramm den Ablauf der
einzelnen Arbeitsschritte, die vom Prozessor 9, der
Quantisierung 11 und der Codierung 12 durchgeführt werden.
Es ist möglich, dass jeweils eine dedizierte Hardware für
die einzelnen Blöcke eingesetzt wird oder dass alle drei
Aufgaben von einem Prozessor erledigt werden. Dieses System
zur Codierung von Audiodaten wird auch als
Transformationscoder bezeichnet. Im folgenden wird das
erfindungsgemäße Verfahren anhand des Transformationscoders
MPEG-2/4-Advanced-Audio-Coding (AAC) näher erläutert, wobei
dieses Verfahren nicht auf MPEG-2/4-AAC beschränkt ist.
Dabei werden die blockweise eingelesenen Audiodaten zunächst
mittels einer MDCT in den Frequenzbereich transformiert.
Parallel dazu werden mittels eines psychoakustischen Modells
wichtige Parameter wie beispielsweise die
Maskierungsschwelle ermittelt. Alle Signalanteile unterhalb
dieser Schwelle sind für das menschliche Gehör nicht mehr
wahrnehmbar. Die Maskierungsschwelle beschreibt also
diejenige Fehlerleistung, die von der folgenden
Quantisierung nicht überschritten werden darf.
Diese Seiteninformationen, zu denen die Maskierungsschwelle
gehört, gelangen zusammen mit den aus der Transformation
gewonnenen Spektralwerten in das Modul Quantisierung und
Codierung, wo die eigentliche Codierung stattfindet.
Abschließend erfolgt die Formatierung des Bitstroms.
In Fig. 2 ist ein Flussdiagramm zum Ablauf im Block
Quantisierung und Codierung dargestellt. In
Verfahrensschritt 1 erfolgt eine nichtlineare Stauchung des
Spektrums der Audiodaten. Die spektralen Daten sind hierbei
zu Frequenzbändern gruppiert. In Verfahrensschritt 2 werden
die Quantisierer initialisiert. In Verfahrensschritt 3
erfolgt eine Skalierung und Quantisierung. Dabei erreichen
die Daten nun die innere Iterationsschleife, in der die
Skalierung und Quantisierung durchgeführt wird. Dabei wird
in jedem Band die Auflösung des Quantisierers, also seine
Güte, solange verbessert, bis die Fehlerenergie eines jeden
Bandes kleiner oder gleich einer vorher im psychoakustischen
Modell berechneten Fehlerenergie ist. Das
Quantisierungsrauschen muß also unterhalb der
Wahrnehmungsschwelle des menschlichen Gehörs liegen.
Erfüllen alle Bänder dieses Kriterium, dies wird in Block 4
geprüft, dann wird die Schleife verlassen. Anschließend
erfolgt die Codierung im Block 5, bei der das quantisierte
Spektrum und die Seiteninformationen in das standardisierte
Bitstromformat überführt werden. In Block 6 wird schließlich
überprüft, ob die geforderte Bitrate eingehalten wird. Ist
diese Bedingung erfüllt, dann kann der fertige Bitstrom in
den Ausgangspuffer geschrieben werden. Im anderen Fall wird
die Quantisierungsgüte in allen Frequenzbändern
verschlechtert und es erfolgt erneut der Rücksprung in die
innere Schleife.
Dieser schematisch beschriebene Ablauf lässt sich anhand
eines konkreten Signalbeispiels in Fig. 3 näher erläutern.
Aufgetragen ist der Verlauf der Signalenergie und der
Maskierungsschwelle über der Frequenzachse. Die
Maskierungsschwelle wurde in dem psychoakustischen Modell
berechnet und beschreibt, welche Signalanteile für das
menschliche Gehör wahrnehmbar sind und welche nicht.
Diejenigen Anteile, die unter der Schwelle liegen sind nicht
wahrnehmbar, während die über der Schwelle liegenden Anteile
akustisch wahrnehmbar sind. Die Wirkungsweise der beiden
Iterationsschleifen aus Fig. 2 lässt sich so
charakterisieren, dass ausgehend von einem
Initialisierungszustand die Quantisierer so eingestellt
werden, dass das Quantisierungsrauschen möglichst die Form
und Lage der aus der Psychoakustik ermittelten
Maskierungsschwelle annehmen soll.
Fig. 3 zeigt als untere punktierte Linie den
initialisierten Ausgangszustand. Diese Linie ist waagerecht.
Die innere Iterationsschleife sorgt für die spektrale
Formung der Fehlerenergie, die von den Quantisierern
verursacht wird, während die äußere Schleife für die
Verschiebung zuständig ist, die bei Überschreiten der
Sollbitzahl erforderlich wird. Bei dieser Vorgehensweise
sind mehrere Iterationen notwendig, um die optimalen
Quantisierergüten für die gegebene Sollbitzahl zu
erhalten. Ziel der Erfindung ist es nun, die innere Iteration
durch eine Schätzung zu ersetzen.
Fig. 6 zeigt als Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren
am Beispiel des MPEG-2/4-AAC zur Codierung von Audiodaten. Bei
MPEG-2/4-AAC werden die Quantisierergüten mittels sogenannter
Skalenfaktoren eingestellt. Im Block, der mit x3/4 bezeichnet
wird, erfolgt eine nichtlineare Stauchung des Spektrums der
Audiodaten, so dass sich in Zusammenhang mit der später
stattfindenden gleichförmigen Quantisierung eine nichtlineare
Quantisiererkennlinie ergibt. Die nicht lineare Quantisierung
erfolgt hierbei nach
mit SF_OFFSET = 100 und MAGIC_NUMBER = 0.4054.
Die Konstante MAGIC_NUMBER sorgt bei der Quantisierung dafür,
daß ungestauchte Spektralkoeffizienten, deren Betrag kleiner 0.5
ist, zu Null quantisiert werden. Die Konstante SF_OFFSET legt
den Nutzbereich der Skalenfaktoren fest und muß bei Enkoder und
Dekoder den gleichen Wert aufweisen. Die Auflösung der
Quantisierung wird durch den Skalierungsindex SF_OFFSET - scf
bestimmt, wobei mit scf der eingangs erwähnte Skalenfaktor
bezeichnet wird. Bei großem scf erfolgt eine grobe
Quantisierung, bei kleinem scf äquivalent eine feine
Quantisierung.
Entscheidend für die Quantisiererauflösung und damit das
hinzugefügte Quantisierungsrauschen sind die Skalenfaktoren scf,
welche jeweils für ein Skalenfaktorband (Teilband des Spektrums)
vorliegen. Eine spektrale Formung des Quantisierungsrauschens
kann also über die Steuerung der Skalenfaktoren erfolgen. Das
Ziel ist es hierbei, das Quantisierungsrauschen möglichst genau
der Maskierungsenergie "anzuschmiegen".
Um eine effiziente Bestimmung der Skalenfaktoren zu ermöglichen,
wurde auf Basis von Simulationen ein Schätzer entwickelt, indem
eine Folge von Spektralwerten nach obiger Vorschrift mit
unterschiedlichen scf quantisiert und requantisiert wurden. Auf
Basis dieser Simulationen wird ein Zusammenhang zwischen
Signalleistung, Fehlerleistung und entsprechendem scf
hergestellt. Die ermittelten Resultate der Simulationen werden
im folgenden vorgestellt, wobei die Quantisiererfehlerleistung
in Fig. 4 über den Skalenfaktoren und in Fig. 5 über dem
Eingangssignalpegel zur Verdeutlichung graphisch aufgetragen
ist. Hierbei zeigt sich in Fig. 4, daß der Fehlerleistungspegel
linear mit dem Skalenfaktor zunimmt, bis die Fehlerleistung eine
Sättigung erreicht. Diese Sättigung wird erreicht, falls der
Quantisierungsfehler gleich dem Signal ist, d. h. das Signal
insgesamt "zu Null" quantisiert wird. Der in den Simulationen
gefundene lineare Zusammenhang läßt sich wie folgt beschreiben:
error_dB = 1.12.scf + offset; error_dB ist Fehlerleistungspegel.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich folgt auch offset, d. h. der
Fehlerleistungspegels für den Skalenfaktor scf = 0, bei
verschiedenen Signalpegeln einem linearen Zusammenhang. Dieser
"Offset" hängt von der Verteilungsfunktion der zu
quantisierenden Spektralwerte ab. Für die Annahme von Weißem
Gaußschen Rauschen (GWN = Gaussian White Noise) wurde der
folgende Zusammenhang ermittelt (A und B sind aus Simulationen
zu bestimmen)
offset = (signal_dB - A).B; signal_dB ist Signalleistungspegel.
Für diesen konkreten Anwendungsfall hat sich die Annahme von GWN
als sehr gute Näherung erwiesen. Das Verfahren selbst kann aber
selbstverständlich auch für Signaltypen mit anderen
Verteilungsfunktionen verwendet werden. Der
Fehlerleistungspegel, welcher für einen bestimmten Skalenfaktor
und einen bestimmten Signalpegel auftritt, läßt sich folglich
mittels
error_dB = 1.12.scf + B.signal_dB - A*B
beschreiben. Für den Schätzer sind error_dB und signal_dB
bekannt, aus denen nach einer geeigneten Umstellung der obigen
Formel der Skalenfaktor scf geschätzt bzw. berechnet werden
kann.
Hiermit wurde das Ziel erreicht, direkt aus der Signal- und
Fehlerleistung die Skalenfaktoren (also die Quantisierergüten
bzw. Auflösungen) zu schätzen und somit die Formung der
Maskierungsschwelle ohne die eingangs beschriebenen Iterationen
zu erreichen. Hierdurch findet im Kern der Routine nur noch die
weitestgehend tabellierte Quantisierung statt.
Fig. 6 zeigt demnach schematisch den vorgestellten Schätzer mit
seinen wichtigsten Funktionsblöcken. Vor dem ersten Durchlauf
wird das Eingangssignalspektrum nichtlinear gestaucht und die
Skalenfaktoren (die Quantisierergüte bzw. Auflösung) aus dem
Spektrum und der Maskierungsschwelle geschätzt. Schalter S1
befindet sich in senkrechter Stellung, und es findet der erste
Quantisierungs- und Codierungsdurchlauf statt. Schalter S1 ist
nun in waagerechter Stellung. Falls die Bitrate noch immer nicht
eingehalten oder unterschritten ist, findet ein erneuter
Iterationsdurchlauf mit verringerten Quantisierergüten statt.
Claims (4)
1. Verfahren zur blockweisen Codierung von Audiodaten, wobei
die Audiodaten in Frequenzbänder aufgeteilt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass pro Frequenzband anhand
vorgegebener Parameter eine maximal zulässige
Fehlerleistung bestimmt wird, dass für jedes Frequenzband
aus der maximal zulässigen Fehlerleistung und der
Signalleistung der Audiodaten mittels eines funktionellen
Zusammenhangs die Auflösung eines Quantisierers für die
Audiodaten ermittelt wird, dass dann die Audiodaten
quantisiert und codiert werden, dass dabei die aufgrund
der Auflösung des Quantisierers sich ergebende Bitanzahl
mit einer vorgegebenen Sollbitzahl verglichen wird und
dass bei Unterschreiten der Sollbitzahl die Quantisierung
des jeweiligen Blocks und Codierung abgeschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
bei Überschreiten der Sollbitzahl durch die sich
ergebende Bitanzahl die Auflösung des Quantisierers in
ausgewählten Frequenzbändern gesenkt wird, um dann die
Quantisierung und Codierung zu wiederholen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Auflösung des Quantisierers aus der
Fehlerleistung und Signalleistung pro Frequenzband aus
einer an die Quantisierungsvorschrift angepassten
Schätzung abgeleitet wird.
4. Sender zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sender einen Schätzer für die Quantisierungsauflösung,
wenigstens einen Quantisierer, einen Codierer und einen
Prozessor mit Speicher aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10119980A DE10119980C1 (de) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | Verfahren zur Codierung von Audiodaten |
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Publications (1)
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DE10119980A Expired - Fee Related DE10119980C1 (de) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | Verfahren zur Codierung von Audiodaten |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE10119980C1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10310785B4 (de) * | 2002-06-26 | 2007-07-26 | National Chiao Tung University | Verfahren und Architektur einer digitalen Codierung zum Übertragen und Packen von Audiosignalen |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4209382C1 (de) * | 1992-03-23 | 1993-03-18 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De | |
DE69418994T2 (de) * | 1993-11-25 | 1999-12-02 | Sharp K.K., Osaka | Kodier- und Dekodierapparat welcher keine Tonqualität verschlechtert, sogar wenn ein Sinuswellen-Signal dekodiert wird |
-
2001
- 2001-04-24 DE DE10119980A patent/DE10119980C1/de not_active Expired - Fee Related
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