DE3310480C2 - Digital coding process for audio signals - Google Patents
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Abstract
Description
a) die Ergebnisse jeder FFT-Stufe werden grundsätzlich halbiert, unabhängig von den Datena) the results of each FFT stage are always halved, regardless of the data
b) es wird eine Bedingung festgelegt bei deren Erfüllung möglicherweise ein Überlauf auftreten kann, aber nicht auftreten muß. Ist diese Bedingung erfüllt, so werden die Ergebnisse der vorherigen Stufe durch 2 dividiert.b) a condition is specified, the fulfillment of which may lead to an overflow, but does not have to occur. If this condition is met, the results will be the previous ones Level divided by 2.
c) es wird so lange gerechnet bis an einer Stelle ein Überlauf festgestellt wird. In diesem Fall werden diese Ergebnisse der der vorherigen Stufe durch 2 dividiert und alle Rechenoperationen der aktuellen Stufe nochmals durchgeführt.c) the calculation is carried out until an overflow is detected at one point. In this case it will be these results of the previous stage divided by 2 and all arithmetic operations of the current one Stage carried out again.
Aus Aufwandsgründen wird bei der Realisierung nach Punkt b vorgegangen. Eine 2. Verstärkungsregelung wird deshalb bei der Berechnung der FFT verwendet, um mögliche Überläufe zu verhindern. Die Regelung nimmt eine Skalierung der Ergebnisse für al Ie FFT-Stufen vor, beginnend von der Stufe, ab der unter ungünstigsten Bedingungen ein Überlauf zu erwarten ist. Die Verstärkungsregelung kann auch abhängig von den Signalwerten innerhalb eines Blockes erfolgen, derart, daß nach der Berechnung einer FFT-Stufe alleFor reasons of effort, the implementation is carried out according to point b. A 2nd gain control is therefore used when calculating the FFT to prevent possible overflows. The regulation scales the results for all FFT levels, starting with the level and starting with the least favorable Conditions an overflow is to be expected. The gain control can also depend on the Signal values take place within a block in such a way that after the calculation of an FFT stage all
Zwischenergebnisse daraufhin kontrolliert werden, ob sie betragsmäßig maximal die Hälfte des zur Verfugung stehenden Wertebereiches benötiger*. Überschreitet ein Zwischenergebnis betragsmäßig diese Grenze, so müssen alle Zwischenergebnisse der jeweiligen Stufe skaliert werden.Intermediate results are then checked whether they require a maximum of half of the available value range in terms of amount *. Exceeds If an intermediate result exceeds this limit in terms of amount, then all intermediate results of the respective level must be scaled.
Ein wesentliches Merkmal der adaptiven Transformationscodierung (ATC) besteht darin, die einem Wert im transformierten Bereich zugeteilte Wortlänge optimal im Sinne eines minimalen Quadrates des Quantisierungsfehlers an die spektrale Verteilung des Signals anzupassen. Die Bitzahl R1 für einen Spektralkoeffizienten / ergibt sich theoretisch zu [2]An essential feature of adaptive transformation coding (ATC) is to optimally adapt the word length allocated to a value in the transformed area to the spectral distribution of the signal in the sense of a minimum square of the quantization error. The bit number R 1 for a spectral coefficient / results theoretically from [2]
-4 · id-4 · id
1 ...JV1 ... JV
mittlere Bitzahl pro Koeffizientmean number of bits per coefficient
BlocklängeBlock length
Varianz des Koeffizient /.Variance of the coefficient /.
Bei realen, nichtstationären Signalen, wie Sprache oder Musik wird diese Bitaufteilung bei der ATC für jeden transformierten Block neu an den momentanen spektralen Verlauf angepaßt. Nach Gl. (1) müßten somit je Block JV-Werte Ä, als Zusatzinformation zum Empfänger übertragen werden. Da dies einen unvertretbar hohen Anteil an der gesamten zu übertragenden Information bedeutete, muß eine wesentliche Datenreduktion bei der Beschreibung des Spektrums durchgeführt werden. Ein im Prinzip bekanntes und für die hier betrachtete Anwendung gut geeignetes Verfahren besteht darin, statt des tatsächlichen Werts logarithmische Schätzwerte der Streuung, log ah für einige Stützstellen im Spektrum zu übertragen. Sie können aus den aktuellen Spektralwerten j»,- wie folgt berechnet werden: In the case of real, non-stationary signals such as speech or music, this bit division is newly adapted to the current spectral profile in the ATC for each transformed block. According to Eq. (1) JV values would therefore have to be transmitted to the receiver as additional information for each block. Since this meant an unacceptably high proportion of the total information to be transmitted, a significant data reduction must be carried out when describing the spectrum. A method that is known in principle and is well suited for the application considered here consists in transferring logarithmic estimated values of the scattering, log a h, for some interpolation points in the spectrum instead of the actual value. They can be calculated from the current spectral values j », - as follows:
Ji + UJi + U
logo/ = — · Σ 10B-V/- M J-J, logo / = - 10 BV / - M YY,
Das heißt, in einem Intervall / werden M benachbarte logarithmierte Quadrate gemittelt. Es ergeben sich L = N/M zu übertragende Stützwerte. That is, M neighboring logarithmized squares are averaged in an interval /. The result is L = N / M supporting values to be transmitted.
Aus den Stützwerten werden durch lineare Interpolation wieder sämtliche Zwischenwerte log σ, ermittelt. Zur Berechnung der Bitzahlen R1 nach Formel (1) wird log σ, anstatt log σ verwendet.All intermediate values log σ are again determined from the support values by linear interpolation. To calculate the number of bits R 1 according to formula (1), log σ is used instead of log σ .
Erfindungsgemäß wird dieses Prinzip so modifiziert, daß eine Ausführung mit vertretbarem Geräteaufwand in Echtzeit ermöglicht wird, ohne die Leistungsfähigkeit einzuschränken.According to the invention, this principle is modified so that an embodiment with a reasonable amount of equipment is made possible in real time without restricting performance.
Die Quadrierung der Spektralwerte in (2) innerhalb eines Intervalls kann über die für die Transformation sowieso benötigte Multiplikationseinheit erfolgen, z. B. also 16 x 16 bit Multiplikation. Im Gegensatz zu (2) wird die Summierung direkt über die Quadrate ausgefiihit: The squaring of the spectral values in (2) within an interval can be used for the transformation Any multiplication unit required take place, z. B. So 16 x 16 bit multiplication. In contrast to (2) the summation is carried out directly via the squares:
\o%ä) = log —
M \ o% ä) = log -
M.
Die geometrische Mittelung wird wie auch in [2] durch eine arithmetische ersetzt. Dadurch werden außerdem günstigere Ergebnisse erzielt, bei verringertem Rechenaufwand.As in [2], the geometric averaging is replaced by an arithmetic one. This will also more favorable results achieved with reduced computational effort.
s Die Aufsummierung wird üblicherweise in der gleichen Einheit wie die Multiplikation erfolgen, kann aber auch extern durchgeführt werden.s The summation is usually done in the same The same unit as the multiplication can be carried out, but it can also be carried out externally.
Eine denkbare Vereinfachung ist der Ersatz der quadratischen Mittelung durch Mittelung derl j/,L Der MuI-tiplizierer kann dann an dieser Stelle entfallen, es sind jedoch geringfügige Qualitätseinbußen möglich.A conceivable simplification is the replacement of the quadratic averaging by averaging the l j /, L the multiplier can then be omitted at this point, but slight quality losses are possible.
Die Logarithmienmg in Gl. (3) muß wesentlich vereinfacht werden. Es zeigt sich, daß es genügt, von der Summe der Quadrate nur die ganzzahlige Zweierpotenz zu bestimmen, d. h. nur die Stellung der ersten »1« im binären Wort. Bei 16 bit Wortlänge für yi treten nur ganzzahlige Werte im Bereich 0 ... 29 auf. Sie sind mit 5 bit darstellbar, es ergibt sich gleichzeitig eine Quantisierung und damit Datenreduktion der Zusatzinformation. The logarithm in Eq. (3) needs to be simplified considerably. It turns out that it is sufficient to determine only the integer power of two of the sum of the squares, ie only the position of the first "1" in the binary word. With a 16-bit word length for y i , only integer values in the range 0 ... 29 occur. They can be represented with 5 bits; at the same time, there is a quantization and thus data reduction of the additional information.
Selbstverständlich ist das Verfahren auch auf die Form nach Gl. (2) anwendbar.Of course, the method can also be applied to the form according to Eq. (2) applicable.
Die Vereinfachung der Logarithmierung führt zu keiner meßbaren Beeinflussung der Qualität. Die Haare Interpolation der logarithmierten Stützwerte zur Berechnung der Schätzwerte log h, der Spektralkoeffizienten ist bezüglich der verfügbaren Wortlänge unproblematisch durch die sich oben ergebende Beschränkung auf z. B. 5 bit.The simplification of the logarithmization does not lead to any measurable influence on the quality. The hair interpolation of the logarithmized support values for the calculation of the estimated values log h, the spectral coefficients is unproblematic with regard to the available word length due to the restriction to z. B. 5 bit.
MM.
— Werte an den Intervallgrenzen werden gleich dem - Values at the interval limits are equal to
ersten bzw. letzten Stützwert gesetzt. Bei der Ausführung der eigentlichen Interpolation wird für die Differenz zwischen 2 interpolierten Werten die Wortlänge in-first or last reference value set. When executing the actual interpolation, the difference the word length between 2 interpolated values
tern um ld (M) + 1 Stellen erhöht sowie vorzeichenabhängig ein Korrekturwert zur Rundung addiert oder subtrahiert. Die während der Berechnung eines interpolierten Wertes nötige Division durch 2 M erfolgt durch eine einfache Schiebeoperation.tern increased by ld (M) + 1 digits and, depending on the sign, a correction value for rounding is added or subtracted. The division by 2 M required during the calculation of an interpolated value is carried out using a simple shift operation.
Ausgehend von den interpolierten Werten der Streuung erfolgt die Aufteilung der verfügbaren Stellenzahl auf die Spektralwerte. Da die Streuungen schon als logarithmische Werte vorliegen, reduziert sich die Berechnung der Bitzahl noch (1) auf die Ausführung von Grundrechenarten, doch auch hier kann aus Aufwandsgründen keine Gleitkommarechnung durchgeführt werden.The available number of digits is divided up based on the interpolated values of the scatter on the spectral values. Since the scatter is already available as logarithmic values, the Calculation of the number of bits still (1) on the execution of basic arithmetic operations, but here too, for reasons of effort no floating point calculation can be performed.
Mit dem gewählten Verfahren ist eine reine Festkommarechnung möglich. Für die interne Darstellung werden die Wortlängen um eine Zweierpotenz, z. B. 16 entsprechend 4 binären Stellen, erhöht. Ein 16 bit Rechenwerk ist dann vollkommen ausreichend.With the selected procedure, a pure fixed-point calculation is possible. Be for internal representation the word lengths by a power of two, e.g. B. 16 corresponding to 4 binary digits increased. A 16 bit arithmetic unit is then completely sufficient.
Voraussetzung ist wiederum die Minimierung von Rundungseinflüssen durch sinnvolles Zusammenfassen von Teiloperationen und die Addition von Korrekturwerten vor Divisionen. The prerequisite, in turn, is the minimization of the effects of rounding by means of meaningful grouping of partial operations and the addition of correction values before divisions.
Die Erfindung beinhaltet eine Echtzeitrealisierung des beschriebenen Verfahrens. Untersuchungen ergaben, daß selbst bei hohen Qualitätsanforderungen für die Realisierung ein 16 bit Rechenwerk ausreicht. Dabei können Signale mit einer Bandbreite von über 20 kHz verarbeitet werden. Die dabei erzielten Datenraten liegen um den Faktor 4-6 unter den bisher verwendeten Datenraten.The invention includes a real-time implementation of the method described. Investigations have shown that even with high quality requirements a 16 bit arithmetic unit is sufficient for the implementation. Included signals with a bandwidth of over 20 kHz can be processed. The data rates achieved are by a factor of 4-6 below the previously used data rates.
Ausführungsbeispiel zu den Patentansprüchen 8 bis 10:Exemplary embodiment for claims 8 to 10:
Es sollen die Bitzahlen R1 für die Spektralkoeffizienten nach Gl. (D berechnet werden (interne Größe mitThe bit numbers R 1 for the spectral coefficients according to Eq. (D can be calculated (internal size with
erhöhter Wortlänge bezeichnet durch 1. Buchstabe = I, Beispiel für Erhöhung um Faktor 16).increased word length denoted by 1st letter = I, Example for an increase by a factor of 16).
mittlere Bitzahl IR (Berechnung aus Gesamtbitzahl je Block, Rc) Average number of bits IR (calculation from total number of bits per block, R c )
IR = IR =
- Nenner entspr. Gl. (1) (interpolierte Logarithmen:- Denominator according to Eq. (1) (interpolated logarithms:
SWL, + -£■ - SWL, + - £ ■ -
ISIS
Bitzahl IR1 Bit number IR 1
IR1 = IR + 8 · SWL1 - IS. IR 1 = IR + 8 * SWL 1 - IS.
1010
1515th
2020th
J. Makhoul: »A fast cosine transform in one and two dimensions« IEEE Tr. Acc, Speech, Signal
Processing, vol ASSP-28, Feb. 80
M. Trivedi et al.: Measured performance of blockfloating-point hardware FFT processor for realtime speech transform coding IEE Proc. Vol. 128,
Pt F, No. 1, Febr. 1981, Seiten 54-60
P. D. Welch: A fixed-point fast Fourit: transform error analysis IEEE Trans. 1969, AU-17, pp 151 —
157J. Makhoul: "A fast cosine transform in one and two dimensions" IEEE Tr. Acc, Speech, Signal Processing, vol ASSP-28, Feb. 80
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PD Welch: A fixed-point fast Fourit: transform error analysis IEEE Trans. 1969, AU-17, pp 151 - 157
James L. Flanagan et al.: Speech Coding IEEE Trans COM Vol. COM 27, No 4, April 1979James L. Flanagan et al .: Speech Coding IEEE Trans COM Vol. COM 27, No 4, April 1979
Reale Einschränkungen erfordern weitere Korrektur-Operationen; bedingt durch Signaleigenschaften können negative Wortlängen und Werte größer als ein vorgegebenes Maximum auftreten. Die Summe der negativen Werte, dividiert durch die Anzahl verbleibender positiver Werte, wird von den positiven Werten abgezogen. Entsprechend wird die Summe der Stellenzahlen über dem maximalen Wert auf die Wortlängen >0 verteilt. Real restrictions require further corrective operations; due to signal properties negative word lengths and values larger than a specified maximum occur. The sum of the negatives Values divided by the number of remaining positive values are subtracted from the positive values. Correspondingly, the sum of the number of digits is above the maximum value on the word length > 0 distributed.
Anschließend erfolgt die Umrechnung auf die tatsächlichen Werte:Then the conversion to the actual values takes place:
In einer Kontrolloperation muß geprüft werden, ob, bedingt durch die nicht exakte Rechnung, mehr oder weniger Stellen als insgesamt verfügbar zugeteilt wurden. Einzelne Wortlängen müssen dann erhöht bzw. reduziert werden.In a control operation it must be checked whether, due to the imprecise calculation, more or fewer vacancies than have been allocated. Individual word lengths must then be increased or be reduced.
Die nötige Korrektur wird nach Prioritäten gesteuert, wobei die Größe des Rundungsfehlers, der bei der Berechnung von Ä,- aus IR1 entsteht, zugrunde gelegt wird. Eine Reduktion erfolgt zuerst bei den Werten mit dem größten positiven Rundungsfehler (d. h. /?,>//?,), eine Erhöhung beginnend beim größten negativen Fehler. Es genügt, die positiven und negativen Werte des Rundungsfehlers in wenige Klassen, z. B. nur je zwei, einzuteilen, um den nötigen Sortiervorgang zu vereinfachen. Zur Gleichbehandlung aller Koeffizienten wird der Anfängsifidex für die Erhöhung/Reduktion zyklisch so weitergeschaltetThe necessary correction is controlled according to priorities, based on the size of the rounding error that arises when calculating Ä, - from IR 1. A reduction is first made for the values with the largest positive rounding error (ie / ?,> // ?,), an increase starting with the largest negative error. It is sufficient to divide the positive and negative values of the rounding error into a few classes, e.g. B. only two to be divided in order to simplify the necessary sorting process. In order to treat all coefficients equally, the initial sifidex for the increase / reduction is cyclically switched on
Die beschriebene Methode zur Wortlängenvergabe führt zu keiner meßbaren Qualitätsverringerung des Gesamtsystems gegenüber Gleitkommaberechnung.The described method for word length allocation does not lead to any measurable reduction in the quality of the Overall system compared to floating point calculation.
Selbstverständlich kann die eigentliche Bitaufteilung auch mit anderen Verfahren zur Berechnung der Eingangswerte SWL als der beschriebenen Interpolation kombiniert werden.Of course, the actual bit division can also be combined with methods for calculating the input values SWL other than the interpolation described.
Literaturliterature
6060
G. Zedler: »Tonübertragung in digitaler Form« NTZ Bd. 35, 1982, Heft 7G. Zedler: "Sound transmission in digital form" NTZ vol. 35, 1982, issue 7
R. Zelinski, P. Noll: »Adaptive Biockquantisierung von Sprachsignalen« Techn. Bericht Nr. 181, Berlin 1975. Heinr. Hertz-InstitutR. Zelinski, P. Noll: »Adaptive Block Quantization von Sprachsignalen «Techn. Report No. 181, Berlin 1975. Heinr. Hertz Institute
Claims (17)
Beim Gegenstand der Erfindung hingegen wird ein Block von 128 Abtastwerten des akustischen Signals unter Verwendung der Diskreten-Cosinus-Transformation (DCT) in einen Satz von 128 Spektralkoeffizienten transformiert. Die DCT wird mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation (FET) realisiert [3]. Bei der Realisierung der FFT in Festkommarechnung nehmen die Rundungsfehler bekanntlich von Stufe zu Stufe zu. Der Grund liegt darin, daß eine 16 X 16 Bit Multiplikation ein 32 Bit Eigebnis liefert. Bei einer Festkomma-Darstellung mit nur 16 Bit Wortlänge müssen die unteren 16 Bit dieses 32 Bit Ergebnisses bei der weiteren Verarbeitung unberücksichtigt bleiben. Es ist leicht einzusehen, daß die dadurch entstehenden Rundungsfehler um so größer werden, je kleiner die ursprünglich zu ιιϊΐ:!*'ρ1ί-zierenden Faktoren sind.It should also be mentioned that from DE-OS 15 37 325 a level control of a gj. already digitized signal is known for the purpose of coding in the time domain by dividing the input signal by short-term effective values. Such a procedure can be classified under the heading "Block coding with adaptive quantization".
In the subject matter of the invention, however, a block of 128 samples of the acoustic signal is transformed into a set of 128 spectral coefficients using the discrete cosine transform (DCT). The DCT is implemented using the fast Fourier transformation (FET) [3]. When the FFT is implemented in fixed-point arithmetic, the rounding errors increase from level to level, as is well known. The reason is that a 16 X 16 bit multiplication gives a 32 bit result. In the case of a fixed point representation with a word length of only 16 bits, the lower 16 bits of this 32-bit result must not be taken into account for further processing. It is easy to see that the resulting rounding errors become larger, the smaller the factors originally to be ιιϊΐ:! * 'Ρ1ί-zoning are.
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