DE3310480C2

DE3310480C2 - Digital coding process for audio signals

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Publication number: DE3310480C2
Application number: DE19833310480
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl.-Ing. Dipl.-Math. 8520 Erlangen Brandenburg; Gerhard G. Dr.-Ing. 7141 Aurich Langenbucher; Helmuth Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Schramm; Dieter Prof. Dr.-Ing. Seitzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-03-23
Filing date: 1983-03-23
Publication date: 1986-02-13
Also published as: DE3310480A1

Abstract

Published without 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 a_h 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 y_i 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, R_c) 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
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, Feb. 1981, pp. 54-60
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

Patentansprüche:Patent claims:

1. Digitales Codierverfahren für die Übertragung oder Speicherung von akustischen Signalen, insbesondere von Musiksignalen, nach dem Verfahren der Adaptiven Transformationscodierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der blockweise zu übertragenden Werte ganz oder teilweise in Festkommarechnung mit beschränkter Wortlänge durchgeführt wird, wobei durch eine oder mehrere digitale Verstärkungsregelungen, dergestalt, daß alle Abtastwerte im gerade zu verarbeitenden Block mit einem Faktor multipliziert werden, der abhängig von den Werten im Block so bemessen ist, daß der Maximalwert im Block gerade noch mit der vorgegebenen Wortlänge dargestellt werden kann, und wobei gegebenenfalls neben den digitalen Verstärkungsregelungen durch besondere Maßnahmen die bei der Berechnung durch Rundung entstehenden Fehler klein gehalten werden, dadurch, daß vor den eigentlichen Rechenschritten Korrekturterme addiert und Zwischenergebnisse mit festeingestellten Faktoren multipliziert werden, die so gewählt sind, daß auch im ungünstigsten Fall keine Zahlen-Überläufe auftreten können, die vorhandene Wortlänge effektiv ausgenutzt wird.1. Digital coding method for the transmission or storage of acoustic signals, in particular of music signals, according to the method of adaptive transformation coding, thereby characterized in that the calculation of the block-wise Values to be transferred in whole or in part in fixed-point calculation with limited word length is performed, by one or more digital gain controls, such that all Samples in the block to be processed are multiplied by a factor that depends of the values in the block is dimensioned so that the maximum value in the block is just about the same as the specified Word length can be represented, and where appropriate in addition to the digital gain controls by taking special measures, the errors that arise in the calculation by rounding are kept small by the fact that before the actual calculation steps correction terms added and intermediate results are multiplied with fixed factors that are selected in this way are that even in the worst case no number overflows can occur, the existing word length is effectively exploited.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der Stützstellen des Spektrums entweder eine geometrische oder eine arithmetische Mittelung der Quadrate der Spektralkoeffizienten verwendet werden kann. Für die Berechnung der blockweise zu übertragenden Werte, wird bei dem hier verwendeten ATC-Verfahren ein geschätzter Verlauf des Spektrums benötigt. Er wird aus Stützstellen des momentanen Verlauf des Spektrums interpoliert. Diese Stützstellen entstehen durch Zusammenfassen benachbarter Spektralkoeffizienten. 2. The method according to claim 1, characterized in that when calculating the support points of the spectrum either a geometric or an arithmetic mean of the squares of the Spectral coefficients can be used. For the calculation of the blocks to be transferred Values, the ATC method used here requires an estimated course of the spectrum. It is interpolated from support points of the current course of the spectrum. These support points arise by combining neighboring spectral coefficients.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der Stützstellen des Spektrums die Mittelung der Quadrate der Spektralkoeffizienten durch eine Mittelung der Beträge ersetzt werden kann.3. The method according to claim 1 and claim 2, characterized in that in the calculation of the support points of the spectrum the averaging of the squares of the spectral coefficients by averaging the amounts can be replaced.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der Stützstellen des Spektrums die Logarithmierung ersetzt wird durch die Bestimmung der ersten »1« im binären Wort und daß damit gleichzeitig eine Reduktion der Zusatzinformation erreicht wird. Als sog. Zusatzinformation werden der Decodierungseinrichtung die Stützstellen des Spektrums und die Faktoren der digitalen Verstärkungsregelungen übertragen.4. The method according to claim 1 and claim 2, characterized in that in the calculation of the support points of the spectrum the logarithmization is replaced by the determination of the first »1« in the binary word and that a reduction in the additional information is achieved at the same time. as So-called additional information is provided to the decoding device by the support points of the spectrum and the Transferring factors of the digital gain controls.

5. Verfahren nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der geschätzte Verlauf des Spektrums zwischen den Stützstellen durch Interpolation bestimmt wird. Da die Stützstellen die vorhandene Rechenwortlänge nicht voll ausnutzen, wird zur Erhöhung der Genauigkeit nachfolgender Operation eine interne Erhöhung der Stellenzahl durch Skalierung vorgenommen, d. h. die Stützstellen werden mit einem fest eingestellten Faktor multipliziert. 5. The method according to the previous claims, characterized in that the estimated course of the spectrum between the support points is determined by interpolation. Since the support points the do not fully use the existing arithmetic word length, the following is used to increase the accuracy Operation carried out an internal increase in the number of digits by scaling, d. H. the support points are multiplied by a fixed factor.

6. Verfahren nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Bil/ahlen für die einzelnen Spektralkoeffizienten (im folgenden als Sitzutcilung bezeichnet) mit intern erhöhter Wortlänge, d. h. es findet eine weitere Multiplikation der Stützstellen mit einem fest eingestellten Faktor statt, durchgeführt wird, jedoch ohne zusätzliche Anforderung an das vorhandene Rechenwerk.6. The method according to the previous claims, characterized in that the calculation of the Calculations for the individual spectral coefficients (hereinafter referred to as seat utilization) with intern increased word length, d. H. there is a further multiplication of the interpolation points with a fixed one Factor instead, is carried out, but without additional requirements for the existing one Arithmetic unit.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gesamten Bitzuteilung die benötigten Divisionen durch Schiebeoperationen oder durch Auslesen bereits vorher abgespeicherter Werte (z. B. in einem Schreib-/ Lese- oder Festwertspeicher) ersetzt werden.7. The method according to claim 1 and claim 6, characterized in that in the entire bit allocation the required divisions by shift operations or by reading out beforehand stored values (e.g. in a read / write or read-only memory) are replaced.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bitzuteilung für die Spektralkoeffizienten Korrekturoperationen wegen negativer und zu großer Bitzahlen iterativ durchgeführt werden. Sie können dadurch auf einfache Vor-Rückwärtszähloperationen zurückgeführt werden. Die Anzahl der Iterationen kann ohne Qualitätseinbuße auf wenige beschränkt werden.8. The method according to claim 1 and claim 6, characterized in that in the bit allocation For the spectral coefficients, iterative correction operations due to negative and excessive bit numbers be performed. You can then be reduced to simple counting up and down operations will. The number of iterations can be limited to a few without any loss of quality.

9. Verfahren nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur verbleibender Fehler bei der Bitzuteilung (Gesamtbitzahl zu groß oder zu klein) prioritätsgesteuert durchgeführt wird, wobei die Priorität abhängig ist von der Größe des Rundungsfehlers. Ein definierter Rundungsfehler entsteht bei der Umwandlung der zunächst erhöhten Darstellungswortlängen für die Bitzahlen auf den tatsächlichen Wert.9. The method according to the previous claims, characterized in that the correction remaining Errors in the bit allocation (total number of bits too large or too small) carried out on a priority-controlled basis where the priority depends on the size of the rounding error. A defined rounding error arises when converting the initially increased length of representation words for the Bit numbers to the actual value.

10. Verfahren nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die prioritätsgesteuerte Korrektur verbleibender Fehler bei der Bitzuteilung dadurch vereinfacht wird, daß die Rundungsfehler vorher in wenige Klassen eingeteilt werden. 10. The method according to the previous claims, characterized in that the priority-controlled Correction of remaining errors in bit allocation is simplified by eliminating the rounding errors be divided into a few classes beforehand.

11. Venahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitzuteilung für die Spektraikoeffizienten nach dem Kriterium optimaler subjektiver Qualität erfolgt. Entgegen den bisherigen Ansprüchen kann die Bitzuteilung auch angepaßt werden auf den nicht gleichmäßigen Verlauf der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs.11. Venahren according to claim 1, characterized in that that the bit allocation for the spectra coefficients according to the criterion of optimal subjective Quality takes place. Contrary to previous claims, the bit allocation can also be adapted on the non-uniform course of the spectral sensitivity of the human hearing.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der in den Ansprüchen beschriebenen Operationen firmwaregesteuert erfolgt, d. h. die Verarbeitung der Anweisungen in einem zentralen Schaltwerk vorgenommen wird.12. The method according to claim 1, characterized in that the implementation of the claims operations described takes place under firmware control, d. H. the processing of the instructions in a central switchgear.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der in den Ansprüchen beschriebenen Operationen durch spezielle Hardware erfolgt, d. h. durch ein dafür ausgelegtes sequentielles Schaltwerk durchgeführt wird.13. The method according to claim 1, characterized in that the implementation of the claims operations described are carried out by special hardware, d. H. through a specially designed sequential rear derailleur is performed.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der in den Ansprüchen beschriebenen Operationen zum Teil firmwaregesteuert und lediglich bezüglich zeitkritischer Operationen durch spezielle Hardware erfolgt.14. The method according to claim 1, characterized in that the implementation of the claims The operations described are partly firmware-controlled and only with regard to time-critical ones Operations are done by special hardware.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung mittels der ATC zum Zwecke der digitalen Speicherung des Signals, beispielsweise auf Tonband oder Schallplatte, erfolgt.15. The method according to claim 1, characterized in that the coding by means of the ATC to Purpose of digital storage of the signal, for example on tape or record, takes place.

16. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung mittels der ATC zum Zwecke der digitalen Übertragung im Fcrnmcldenetz (drahtgebunden bzw. über Glasfaser) erfolgt.16. The method according to claim I, characterized in that the coding by means of the ATC to Purposes of digital transmission in the telecommunications network (wired or via fiber optics) takes place.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung mittels der ATC /um Zwecke derdigitalen Übertragung im Rundlunknet/ erfolgt, wobei eine Kombination mit dem jeweiligen17. The method according to claim 1, characterized in that the coding by means of the ATC / um Purposes of the digital transmission in Rundlunknet / takes place, whereby a combination with the respective

Modulationsverfahren des betreffenden Übertragungsfrequenzbereiches vorgenommen wird.Modulation method of the relevant transmission frequency range is made.

Die Erfindung betrifft ein digitales Codierverfahren für die Übertragung bzw. Speicherung akustischer Signale, insbesondere Musiksignale.The invention relates to a digital coding method for the transmission or storage of acoustic signals Signals, in particular music signals.

Ein grundlegendes Verfahren zur Codierung akustischer Signale ist die sog. Pulscodemodulation als Ausgangspunkt für weitere Datenreduktionsverfahren. Während Sprachsignale üblicherweise mit 12 Bit linear bzw. 8 Bit logarithmisch codiert werden, werden für Musiksignale momentan 14 Bit bei linearer Codierung verwendet. Bei einer Abtastfrequenz von i kHz ergeben sich damit für Sprachsignale Datenraten 96 kbit/s bzw. 64 kbit/s. Musiksignale werden wegen der höheren Qualitätsanforderungen mit mindestens 32 kHz (Deutsche Bundespost) abgetastet. Bei 14 Bit linearer Codierung ergibt sich somit eine Datenrate von 448 kbit/s.A basic method for coding acoustic signals is what is known as pulse code modulation as a starting point for further data reduction methods. While speech signals are usually coded linearly with 12 bits or logarithmically with 8 bits, 14 bits are currently used for music signals with linear coding. With a sampling frequency of i kHz, this results in data rates of 96 kbit / s and 64 kbit / s for voice signals. Because of the higher quality requirements, music signals are sampled with at least 32 kHz (Deutsche Bundespost). With 14-bit linear coding, this results in a data rate of 448 kbit / s.

Im Gegensatz zur Übertragung von Sprachsignalen, Tür die es eine ganze Reihe von Datenreduktionsverfahren gibt, sind kaum Datenreduktionsverfahren für Musiksignale bekannt. Der Stand der Technik bei der Sprachcodierung ist so umfangreich, daß seine Darstellung hier den gegebenen Rahmen sprengen würde. Es wird daher auf einen Übersichtsartikel in der Literatur [6] verwiesen. In [1] wird von einem Verfahren berichtet, mit dem eine Reduktion von 14 Bit auf 11 Bit erreicht wird. Werden jedoch Reduktionsfaktoren größer gleich 2 angestrebt - d. h. anstelle von 14 Bit werden nur 7 Bit pro Abtastwert verwendet - so bewirken Datenreduktionsverfahren für Musiksignale bisher immer eine Qualitätsverminderung relativ zu einer linearen Quantisierung. In contrast to the transmission of voice signals, it door a whole range of data reduction processes there are hardly any known data reduction methods for music signals. The state of the art in Speech coding is so extensive that its presentation here would go beyond the scope given. It reference is therefore made to a review article in the literature [6]. In [1] a procedure is reported, with which a reduction from 14 bits to 11 bits is achieved. However, reduction factors become greater than or equal to 2 aimed - d. H. Instead of 14 bits, only 7 bits are used per sample - this is how data reduction processes work for music signals so far there has always been a reduction in quality relative to linear quantization.

Das Ziel der Erfindung ist die Realisierung eines Verfahrens zur Datenreduktion von akustischen Signalen, insbesondere von Musiksignalen um einen Faktor 4-6 (je nach Abtastrate des Originalsignals), ohne daß tine subjektive Qualitätsminderung des Signals bemerkbar wird, sowie die Realisierung eines solchen Verfahrens in Festkommarechnung. Die Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren, z. B. einer nichtlinearen Quantisierung, kommt dadurch zustande, daß das Codierverfahren im Spektralbereich nach dem Prinzip der Adaptiven Transformationscodierung (ATC) arbeitet. Das Prinzip der ATC ist grundsätzlich von der Sprachübertragung her bekannt [2]. Jedoch war es dort bisher trotz der vergleichsweise niedrigen Abtastfrequenz von 8 kHz - dies ist ein Viertel der Mindestabtastfrequenz für Musiksignale hoher Qualität - aufgrund seiner Komplexität nicht im praktischen Betrieb einsetzbar. Da die notwendigen Operationen in Gleitkommarechnung durchgeführt werden mußten, waren zur Simulation der ATC Rechcnanlagen nötig. Diese erlauben jedoch aufgrund ihrer zu kleinen Rechengeschwindigkeit in der Regel keine Echtzeitverarbeitung des akustischen Signals.The aim of the invention is to realize a method for data reduction of acoustic signals, especially music signals, by a factor of 4-6 (depending on the sampling rate of the original signal) without any noticeable subjective reduction in the quality of the signal as well as the implementation of such a procedure in fixed-point calculation. The improvement over conventional methods, e.g. B. a nonlinear quantization, comes about that the Coding method in the spectral range works according to the principle of adaptive transformation coding (ATC). The principle of ATC is basically known from speech transmission [2]. However, it was there so far despite the comparatively low sampling frequency of 8 kHz - this is a quarter of the minimum sampling frequency for high quality music signals - not in practical use due to its complexity applicable. Since the necessary operations had to be carried out in floating point arithmetic, were necessary to simulate the ATC computer systems. However, these allow due to their too low computing speed usually no real-time processing of the acoustic signal.

Bei dem Verfahren der ATC werden Spektralkoeffizicnten, die in Abhängigkeit ihrer Energie unterschiedlich fein quantisiert werden, zum Empfänger übertragen. Spektralkoeffizienten, deren Anteil am Gesamtsignal unbedeutend ist, werden nicht übertragen. Zusätzlich werden noch Informationen über den Verlauf des Spektrums zum Empfänger übertragen.In the ATC process, spectral coefficients are different depending on their energy finely quantized, transmitted to the receiver. Spectral coefficients, their share in the total signal is insignificant are not transmitted. In addition, information about the course of the Transmit the spectrum to the receiver.

Die Erfindung betrifft eine Echtzeitrealisierung des Codierverfahrens, gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Um die beschränkte Wortlänge möglichst effektiv auszunutzen, werden an verschiedenen Stellen des Systems Verstärkungsregelungen eingesetz*. The invention relates to a real-time implementation of the Coding method, characterized by the features of claim 1. To the limited word length In order to be able to use them as effectively as possible, gain controls are used at various points in the system *.

Es sei noch erwähnt, daß aus der DE-OS 15 37 325 eine Pegelsteuerung eines gj. bereits digitalisierten Signals zum Zweck der Codierung im Zeitbereich bekannt ist, indem eine Division durch Kurzzeit-Effektivwerte des Eingangssignals vorgenommen wird. Eine solche Vorgehensweise kann unter der Rubrik »Blockcodierung mit adaptiver Quantisierung« eingeordnet werden.
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.

Das Problem der Rundungsfehler wird bei der Erfindung dadurch verringert, daß vor der Berechnung der FFT eine erste Verstärkungsregelung wirkt. Damit ist sichergestellt, daß auch für diejenigen Blöcke von Signalwerten, die kleine Signalamplituden enthalten, die zur Verfugung stehende Wortlänge ausgenutzt wird. Ein weiteres Problem bei der Berechnung der FFT in Festkommarechnung besteht darin, daß das Zwischenergebnis nach der Berechnung einer Stufe maximal doppelt so groß sein kann wie die Eingangswerte für diese Stufe. Die dadurch entstehenden Überläufe verfalschen das Ergebnis der FFT-Berechnung. Dieses Problem ist in der Literatur ausführlich diskutiert [4 + 5]. Grundsätzlich bestehen drei Möglichkeiten, den Überlauf während der FFT-Berechnung zu verhindern:The problem of rounding errors is reduced in the invention by the fact that before the calculation of the FFT a first gain control acts. This ensures that for those blocks from Signal values that contain small signal amplitudes, the available word length is used. Another problem with the calculation of the FFT in fixed-point calculation is that the intermediate result after the calculation of a level can be a maximum of twice as large as the input values for this stage. The resulting overflows falsify the result of the FFT calculation. This problem is discussed in detail in the literature [4 + 5]. There are basically three ways to prevent the overflow to prevent during the FFT calculation: