DE69224944T2

DE69224944T2 - Gerät zur Vektorquantisierung

Info

Publication number: DE69224944T2
Application number: DE69224944T
Authority: DE
Inventors: Naoshi Matsuo; Koji Okazaki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-25
Also published as: US5524170A; EP0529556A3; DE69224944D1; JPH0563585A; EP0529556A2; EP0529556B1; JP3129778B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vektorquantisierungsvorrichtungen und spezieller eine Vektorquantisierungsvorrichtung, die ein Codebuch hat, worin der Inhalt des Codebuches adaptiv optimiert wird.
Die Technik der Vektorquantisierung wird häufig für die Spracherkennung und für die Übertragung verschiedener Signale, beispielsweise Videosignale oder Audiosignale, mit Datenkompression verwendet. Insbesondere in den digitalen Telefonsystemen zum Ubertragen von Sprachsignalen über eine Kommunikationsleitung bietet die Vektorquantisierung ein leistungsfähiges Mittel zum Reduzieren der Bitrate.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel des Spektrums menschlicher Sprache. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die menschliche Sprache grundsätzlich aus einer Komponente mit einem periodischen und einem Zufallsrauschspektrum gebildet, das an den Stimmbändern erzeugt wird, und solch eine Signalkomponente wird als Ergebnis der Anderung der Übertragungscharakteristik des Vokaltraktes moduliert. Somit erfordert die Übertragung des Sprachsignals mit einem Spektrum, wie in Fig. 1 gezeigt, die Übertragung einer großen Informationsmenge, und somit benötigt der Übertragungskanal eine große Bandbreite.
Bei der Vektorquantisierung von Sprachsignalen wird ein Referenzsignal mit einem weißen Rauschspektrum, wie in Fig. 2 gezeigt, erzeugt und mit einem vorbestimmten Takt abgetastet. Die so erhaltenen Abtastwerte, beispielsweise a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4; ... werden in einer Anzahl von Gruppen, genannt Codevektor, gruppiert, beispielsweise (a&sub1;, a&sub2;), (a&sub3;, a&sub4;) ... und in einer Speichervorrichtung, genannt Codebuch, zusammen mit jeweiligen Indexdaten gespeichert.
Wenn auf der Übertragungsseite ein Sprachsignal komprimiert wird, werden die so in den Codebuch gespeicherten Codevektoren daraus einzeln durch Andern des Index ausgelesen, und in einem synthetischen Filter wird ein Sprachsignal durch Verarbeiten der Codevektoren reproduziert. Der Codevektor, der ein Signal produziert, das das Eingangssprachsignal mit dem kleinsten Fehler approximiert, wird ausgewählt, und die Indexdaten des Codevektors werden über die Übertragungsleitung übertragen. Auf der Empfangsseite ist ein Codebuch mit identischer Konstruktion und identischem Inhalt vorgesehen, und der Codevektor wird basierend auf den über die Übertragungsleitung übertragenen Indexdaten ausgewählt. Durch Verarbeiten des Codevektors in einem Sprachsynthesefilter, das dem Sprachsynthesefilter der Übertragungsseite entspricht, kann man das Sprachsignal erfolgreich reproduzieren.
Fig. 3 zeigt die Konstruktion einer herkömmlichen Vektorquantisierungsvorrichtung, die auf der Übertragungsseite eines Telekommunikationssystems verwendet wird.
Bezugnehmend auf Fig. 3 schließt die Vorrichtung eine Codiereinheit 1 ein, die ein Codebuch enthält, und einen Adressierschaltkreis zum selektiven Auslesen des Codevektors aus dem Codebuch. Der selektierte Codevektor wird dann an eine Syntheseeinheit 2 geliefert, um Sprachabtastdaten aus dem Codevektor zu reproduzieren. Typisch ist die Einheit 2 mittels eines Rückkopplungsfilters vorgesehen, die die akustischen Charakteristika des Sprachtaktes simuliert. Die reproduzierten Sprachdaten werden dann mit einem Eingangssprachsignal an einem Subtrahierer 3 verglichen, wo eine Abweichung des reproduzierten Sprachsignals in dem Eingangssprachsignäl berechnet wird, und die Ausgabe des Subtrahierers 3, die die Abweichung anzeigt, wird an eine Auswertungseinheit 4 geliefert, die das Quadrat des Abweichungssignals berechnet. Wenn die Auswertung für alle Codevektoren abgeschlossen ist, wertet die Auswertungseinheit 4 die vorangehende quadratische Abweichung für jeden der Codevektoren in dem Codebuch aus und wählt den Codevektor, der die kleinste quadratische Abweichung bietet. Dadurch werden die Indexdaten, die dem ausgewählten Codevektor entsprechen, über die Übertragungsleitung übertragen. Dadurch kann eine Datenkompression durch Senden des Index des Codevektors anstelle des digitalen Sprachsignals selbst erzielt werden.
Andererseits ist die Quantisierungsvorrichtung dieses Standes der Technik in Zusammenhang mit der Verwendung eines festen Codebuches darin problematisch, daß eine Neigung vorhanden ist, daß einige der Codevektoren häufig verwendet werden, während andere Codevektoren nicht verwendet werden. Außerdem können solche häufig verwendeten Codevektoren und unbenutzte Codevektoren sich ändern, wenn die Person wechselt, welche spricht. Somit muß die herkömmliche Vorrichtung der Fig. 1 ein großes Codebuch haben, das darin eine sehr große Anzahl von Codevektoren speichert. Dadurch wird eine große Anzahl von Bits zum Adressieren der Codevektoren in dem Codebuch benötigt, und die Effizienz der Datenkonpression wird unvermeidlich schlechter.
Fig. 4 zeigt eine weitere herkömmliche Vektorquantisierungsvorrichtung, die zum Trainieren des Codebuches zum Verbessern der Qualität von reproduzierten Signalen verwendet wird.
In der Vorrichtung der Fig. 4 ist ein Codebuch 5 zum Speichern der Codevektoren vorgesehen, und eine Adressiereinheit 6 wählt die in dem Codebuch 5 gespeicherten Codevektoren aus. Der aus dem Codebuch 5 als Ergebnis der Adressierung mittels der Einheit 6 ausgelesene Codevektor wird dann an ein synthetisches Filter 7 geliefert, das der Syntheseeinheit 3 der Fig. 2 entspricht. Dort werden die Sprachdaten von dem ausgewählten Codevektor synthetisiert und in einem Subtrahierer 8 mit dem Eingangssprachsignal verglichen. Der Subtrahierer 8 berechnet die Differenz zwischen dem Eingangssprachsignal und den synthetisierten Sprachdaten und erzeugt ein Ausgangssignal, das die Differenz anzeigt. Dieses Ausgangssignal wird dann an eine Auswertungseinheit 9 entsprechend der Einheit 4 der Fig. 3 geliefert, zur Berechnung des Quadrates des Ausgangssignals der Subtrahiereinheit 8. Außerdem aktiviert die Einheit 9 die Einheit 6 zum Andern des Codevektors, bis ein Codevektor gefunden wird, der das Quadrat der Abweichung minimiert. Außerdem wird der Index des so gefundenen Codevektors über die Übertragungsleitung übertragen, ähnlich der Vorrichtung der Fig. 3. Wenn die Vorrichtung der Fig. 4 auf der Empfangsseite verwendet wird, wird andererseits die Ausgabe des Filters 7 als das synthetische Sprachsignal ausgegeben.
Außerdem schließt der Schaltkreis der Fig. 4 eine Trainiereinheit 10 ein, die mit dem Eingangssignal als Trainiersignal für ein vorbestimmtes Intervall beliefert wird. Die Trainiereinheit 10 modifiziert den Inhalt eines jeden ausgewählten Codevektors so, daß die von der Einheit 9 erfaßte Abweichung minimiert wird. Dadurch kann man das Codebuch so trainieren, daß die Verzerrung der Vektorquantisierung minimiert wird.
Obwohl diese Codevektoren, die häufig ausgewählt werden, durch das Training optimiert werden, existiert jedoch in der Vorrichtung der Fig. 4 ein Problem darin, daß die Codevektoren, die weniger häufig oder gar nicht gewählt werden, das gewünschte Training nicht erfahren. Dadurch kann eine große Verzerrung im Zusammenhang mit der reduzierten Anzahl der effektiven oder "aktiven" Codevektoren auftreten, die tatsächlich während der Datenkompression der Sprachsignale gewählt werden.
Die adaptiven Vektorquantisierungscodierer der EP-A-241170 und EP-A-331094 überwinden dieses Problem dadurch, daß auch die Häufigkeit der Auswahl der Codevektoren nachgehalten wird. Diese verbesserte Optimierung der Codevektoren vergrößert jedoch den Übertragungs- und Berechnungsaufwand und die Komplexität dieser Codierer.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, eine neue und nützliche Vektorquantisierungsvorrichtung vorzusehen, worin die vorangehenden Probleme eliminiert sind.
Eine weitere, speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vektorquantisierungsvorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, den Inhalt des Codebuches zu aktualisieren, so daß das Codebuch nur diejenigen Codevektoren enthält, die mit mehr oder weniger derselben Häufigkeit benutzt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vektorquantisierungsvorrichtung zum Dekomprimieren eines Eingangssignals mittels eines Vektorquantisierungsprozesses vorzusehen, mit einem ersten Codebuch zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Indizes; Codiereinrichtungen zum Auswählen eines in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektors, wobei die Codiereinrichtung eine codierte Ausgabe als Indexdaten erzeugt, die den Index des ausgewählten Codevektors anzeigen; Syntheseeinrichtungen, die mit dem ausgewählten Codevektor von dem ersten Codebuch beliefert werden, zum Erzeugen eines synthetischen Signals, das das Eingangssignal simuliert; Auswertungseinrichtungen, die das Eingangssignal und außerdem das synthetische Signal von der Syntheseeinrichtung erhalten, zum Evaluieren einer Differenz dazwischen, wobei die Auswertungseinrichtung die Codiereinrichtung als Reaktion auf die Differenz steuert, so daß ein Codevektor ausgewählt wird, der die Differenz minimiert; einem zweiten Codebuch zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Indizes; und Aktualisierungseinrichtungen zum Zählen der Häufigkeit der Auswahl der Codevektoren für jeden der in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektoren, wobei die Aktualisierungseinrichtung einen Codevektor in dem ersten Codebuch, wenn die Verwendungshäufigkeit des Codevektors unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist, durch einen in dem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektor ersetzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man den Inhalt des ersten Codebuches modifizieren, so daß das erste Codebuch nur diejenigen Codevektoren enthält, deren Verwendungshäufigkeit die vorbestimmte Schwelle übersteigt. Mit anderen Worten, haben die Codevektoren in dem Codebuch eine relativ gleichförmige Verwendungshäufigkeit. Dadurch kann man die Verzerrung, die die Vektorquantisierung begleitet, reduzieren, und die Qualität des auf der Empfangsseite reproduzierten Sprachsignals wird beträchtlich verbessert, insbesondere, wenn die Vektorquantisierungsvorrichtung in einem Telekommunikationssystem verwendet wird.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein typisches Spektrum von Sprache zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Abtastung eines Zufallsrauschsignals zur Erzeugung von Codevektoren zeigt, die bei der Vektorquantisierung verwendet werden;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion einer herkömmlichen Vektorquantisierungsvorrichtung zeigt;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion einer weiteren herkömmlichen Vektorquantisierungsvorrichtung zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion einer Vektorquantisierungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das den wesentlichen Teil der Fig. 5 zeigt;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion eines synthetischen Filters zeigt, das in dem Schaltkreis der Fig. 5 verwendet wird;
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion einer Vektorquantisierungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die Konstruktion einer Vektorquantisierungsvorrichtung gemäß einen dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 10(A) und 10(B) sind Diagramme, die die Konstruktion eines Telekommunikationssystems zeigen, worin eine Vektorquantisierungsvorrichtung auf der Übertragungsseite mit einer Vektorsynthetisierungsvorrichtung auf der Empfangsseite über eine Telekommunikationsleitung verbunden ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 5 zeigt die Konstruktion der Vektorquantisierungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 5 schließt die Vektorquantisierungsvorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Codebuch 21 entsprechend dem Codebuch 5 der Fig. 4 zum Speichern einer Anzahl von Codevektoren ein, so daß die in dem Codebuch 21 gespeicherten Codevektoren mittels einer Adressiereinheit 22 adressiert werden, die der Einheit 6 der Fig. 4 entspricht. Ein ausgewählter Codevektor wird aus dem Codebuch 21 ausgelesen und an ein Synthesefilter 23 entsprechend dem Filter 7 der Fig. 4 geliefert. Außerdem wird die Ausgabe des Filters 23 an eine Subtrahiereinheit 16 zur Subtraktion von einem Eingangssignal geliefert, das auch an die Einheit 16 geliefert wird. Die Subtrahiereinheit 16 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Differenz dazwischen anzeigt, und liefert dasselbe an eine Auswertungseinheit 17, die der Einheit 9 der Fig. 4 entspricht.
Die Einheit 17 berechnet das Quadrat der Differenz, dargestellt durch das Ausgangssignal des Subtrahierers 16, für jeden der in dem Codebuch 21 gespeicherten Codevektoren. Zu diesem Zweck erzeugt die Einheit 17 Indexdaten ADRESSE und steuert die Adressiereinheit 22. Außerdem erzeugt die Einheit 17 ein Zählsignal, das die Adressierung des Codevektors für jeden der Codevektoren in dem Codebuch 21 anzeigt, und das Zählsignal wird in einem Zähler 18 gezählt.
Wenn ein Eingangssignalvektor (X&sub0;', X&sub1;') hereinkommt, wählt die Adressiereinheit 22 einen der Codevektoren, etwa einen Codevektor (X&sub0;, X&sub1;) in dem Codebuch 21 und gibt denselben an das Synthesefilter 23 aus. Dort wird der Codevektor (X&sub0;, X&sub1;) in einen Signalcodevektor (X&sub0;S, X&sub1;S) umgewandelt, nach der Erfahrung einer Übertragungscharakteristik des Filters 23, und in dem Subtrahierer 16 wird eine Differenz (X&sub0;'-X&sub0;S, S&sub1;'- X&sub1;S) berechnet. Außerdem berechnet die Einheit 17 das Differenzenquadrat der Vektoren als
E² = (X&sub0;'-X&sub0;S)² + (X&sub1;'-X&sub1;S)².
Außerdem wird solch eine Differenzenquadrat E² in der Einheit 17 für jeden der Codevektoren in dem Codebuch 21 durch Auswählen des nächsten Codes über die Adressiereinheit 22 berechnet. Durch Auswählen des Codevektors, der das kleinste Differenzenquadrat Emin² bietet, und Senden der Indexdaten solch eines Codevektors, erreicht die Vektorquantisierungsvorrichtung die gewünschte Datenkompression. Typisch kann das Codebuch 21 128 Codevektoren in dem Index beginnend mit 0 und Enden bei 127 einschließen. Dadurch kann man die Eingangssprachdaten auf 7 Bit digitale Daten komprimieren.
In dem Schaltkreis der Fig. 5 ist ein weiteres Codebuch 14 vorgesehen, so daß das Codebuch 14 den Codevektor in dem Codebuch 21 ersetzt. Zu diesem Zweck ist eine weitere Adressiereinheit 15 vorgesehen, so daß die Einheit 15 den Codevektor in dem Codebuch 21 der Reihe nach adressiert und den Codevektor in dem Codebuch 21 ersetzt, wenn die gezählte Anzahl, die von dem Zähler 18 für den betrachteten Codevektor gezählt wird, kleiner ist als eine vorbestimmte Schwelle. Der Zähler 18 zählt die Verwendungshäufigkeit des Codevektors für ein vorbestimmtes Intervall für jeden Eingangssignalvektor (X&sub0;', X&sub1;') . Zusätzlich zur vorangehenden Schwellenfunktion erreicht die Adressiereinheit 15 eine Adressierung des zweiten Codebuches 14 zum Auswählen eines Codevektors, der zum Ersetzen des Codevektors in dem Codebuch 21 verwendet wird. Die Adressiereinheit 15 wählt einen nächsten Codevektor in dem Codevektor 14 jedesmal, wenn ein Codevektor in dem Codebuch 14 gewählt wird.
Als Ergebnis solch einer Modifikation oder Aktualisierung des Codebuches 21 werden die Codevektoren, die selten verwendet werden, verworfen und durch einen anderen, häufiger verwendeten Codevektor ersetzt. Dadurch wird das Codebuch 21 aktualisiert, nur diejenigen Codevektoren zu speichern, die nach dem Betrieb während einer vorbestimmten Dauer häufig benutzt werden.
Fig. 6 zeigt die Konstruktion des wesentlichen Teils der Vorrichtung der Fig. 5.
Bezugnehmend auf Fig. 6 ist ein Indexdecoder als die Adressiereinheit 22 vorgesehen, und der Indexdecoder 22 wählt den in dem Codebuch 21 gespeicherten Codevektor als Reaktion auf die Indexdaten ADRESSE, die von der Auswertungseinheit 17 geliefert werden. Als Reaktion auf die Adressierung wird der Codevektor in dem Codebuch 21 ausgelesen und über einen Pufferverstärker 22a an das Synthesefilter 23 geliefert. Außerdem ist der Zähler 18 der Fig. 5 als eine Anordnung 18b von Zählern vorgesehen, die Zähler 18c mit einer Anzahl entsprechend der Anzahl von Adressen in dem Codebuch 21 einschließt. Außerdem wird das Lesen und Schreiben der Zähler 18c mittels eines Indexdecoders 18a erreicht, der Indexdaten ADRESSE von der Auswertungseinheit 17 erhält. Somit wird jedesmal, wenn ein Codevektor in dem Codebuch 21 ausgewählt wird, der Zählerstand in dem Zähler 18c entsprechend dem Codevektor um Eins erhöht.
Wenn das Codebuch 21 aktualisiert wird, werden die Indexdaten ADRESSE zum Auswählen der Codevektoren in dem Codebuch 21 der Reihe nach geändert, und der Inhalt des Zählers 18c wird als Reaktion auf die so gegebenen Indexdaten ADRESSE ausgelesen. Außerdem wird der so ausgelesene Zählerstand an eine Schwellwerterfassungseinheit 15a über einen Pufferverstärker 18d geliefert. Die Schwellwerterfassungseinheit isa erhält Schwellwertdaten von einer Speichereinheit 15b und erzeugt ein Steuersignal, wenn der in dem ausgewählten Zähler 18c gespeicherte Zählerstand kleiner ist als der durch den Speicher 15b vorgesehene Zählerstand Dieses Steuersignal wird zur Aktivierung der Aktualisierung des Codevektors in dem Codebuch 21 benutzt, wie im folgenden beschrieben wird.
Es ist ein weiterer Indexdecoder lsd neben dem Codebuch 14 zum Auswählen der darin gespeicherten Codevektgren vorgesehen. Außerdem erhält der Indexdecoder 15d Indexdaten, die von einem Indexzähler 15c erzeugt werden. Spezieller wählt der Indexdecoder 15d einen Codevektor in dem Codebuch 14 als Reaktion auf die von dem Indexzähler 15c gegebenen Indexdaten, und der so ausgewählte Codevektor wird aus dem Codebuch 14 über einen Pufferverstärker ise ausgelesen. Das von der Schwellwerterfassungseinheit 15a erzeugte Steuersignal wird zum Aktivieren des Pufferverstärkers 15e verwendet. Somit wird als Reaktion auf die Aktivierung des Pufferverstärkers 15e der Codevektor in dem Codebuch 14 bei dem von dem Indexzähler 15c ausgewählten Index über den Indexdecoder 22 an das Codebuch 21 transferiert und ersetzt den Codevektor bei dem von dem Indexdecoder 22 gewählten Index.
Der Indexzähler 15c kann ein Zähler sein, der unabhängig läuft und die Indexdaten der Reihe nach ändert, oder ein Zähler, der die Indexdaten als Reaktion auf das Steuersignal von der Schwellwerterfassungseinheit 15a um 1 erhöht. Außerdem kann der Indexzähler 15c ein Zufaliszahlengenerator zum zufälligen Erzeugen der Indexdaten sein, wie später unter Bezugnahme auf ein anderes Ausführungsbeispiel beschrieben wird.
Fig. 7 zeigt die Konstruktion des Synthesefilters 23, das in dem Schaltkreis der Fig. 5 verwendet wird.
Bezugnehmend auf Fig. 6 ist das Filter 23 ein digitales rückgekoppeltes Filter zum Simulieren des in dem Sprachtrakt auftretenden Nachhalls gemäß der Beziehung
y(ti) = x(ti) + a&sub1;y(ti-1) + ... + amy(ti-m)
und schließt Verzögerungsschaltkreise 23&sub1; - 23m zum Verzögern des Eingangssignals und Koeffizientenschaltkreise 231' - 23m' jeweils entsprechend den Verzögerungsschaltkreisen 231 - ²³m zum Multiplizieren der Koeffizienten a&sub1; -am mit den mittels der entsprechenden Verzögerungsschaltkreise verzögerten Signalen ein. Die Ausgabe der Koeffizientenschaltkreise 231' - 23m' werden dann miteinander in einem Summierschaltkreis 23s addiert, und die Ausgabe des Summierschaltkreises 23s wird mit dem Eingangssignal in einem Summierschaltkreis 23s' addiert.
Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 8 ist anstelle des zweiten Codebuches 14 ein Zufallscodegenerator 31 vorgesehen, und der Zufallscode oder die Zufallszahl, die in dem Zufallscodegenerator 31 erzeugt wird, wird als Ersatz für den Codevektor in dem Codebuch 21 benutzt. Andere Aspekte des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind im wesentlichen dieselben wie im ersten Ausführungsbeispiel, und eine weitere Beschreibung wird ausgelassen.
Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, worin ein Trainierschaltkreis 41 zum Trainieren der in dem Codebuch 21 gespeicherten Codevektoren vorgesehen ist. Dadurch werden die Codevektoren, die mittels der Adressiereinheit 22 ausgewählt werden, einem Training oder einer Modifikation als Reaktion auf das Eingangssignal während eines Trainierintervalls unterworfen, und das Codebuch wird für das Eingangssprachsignal optimiert. Weil die Codevektoren, die nicht häufig verwendet werden, in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verworfen werden, erfahren alle Codevektoren in dem Codebuch der Vorrichtung der Fig. 9 das Training, und die Verzerrung im Zusammenhang mit der Vektorquantisierungs-Datenkompression wird minimiert.
Die Fig. 10(A) und 10(B) zeigen ein Telekommunikationssystem, worin die Datenkompression und -dekompression mittels der Vektorquantisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
Bezugnehmend auf Fig. 10(A), die die Übertragungsseite zeigt, ist eine Vektorquantisierungsvorrichtung als Codierer vorgesehen, die im wesentlichen identisch ist mit der Vorrichtung der Fig. 5, mit der Ausnahme, daß eine Verstärkungssteuerung 50 zum Codieren von Daten vorgesehen ist, die die Verstärkung des Eingangssignals anzeigen.
Die Verstärkungssteuerung 50 schließt ein Verstärkungscodebuch 51 zum Speichern von Verstärkungscodewerten ein, die die Größe des Eingangssignals darstellen, und eine Adressiereinheit 52 liest selektiv die Verstärkungscodewerte aus dem Codebuch 51 unter Steuerung der Auswertungseinheit 17 aus. Es können acht verschiedene Verstärkungscodewerte mit dem Index, der durch 3 Bit Daten dargestellt wird, vorhanden sein. Der so aus dem Codebuch 51 ausgelesene Verstärkungscodewert wird mit dem Gestaltcodevektor, der aus dem Codebuch 21 ausgelesen worden ist, in einem Multiplizierer 53 multipliziert, und die so von dem Multiplizierer 53 erzeugten Daten werden in einem Verstärkungs-Verstärker 54 mit einer Verstärkung verstärkt, die mittels des Verstärkungscodewertes bestimmt wird, der aus dem Codebuch 51 ausgelesen wird. Weil die Adressiereinheit 52 mittels der Auswertungseinheit 17 gesteuert wird, so daß die quadratische Abweichung E² minimal wird, wird die Auswahl des optimalen Verstärkungscodewertes und somit die Extraktion der Indexdaten des optimalen Verstärkungscodewertes garantiert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird auch die Aktualisierung des Codebuches 21 mittels der in dem Codebuch 14 gespeicherten Gestaltcodevektoren ähnlich wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel erzielt. Außerdem kann solch eine Aktualisierung des Codebuches auch für das Codebuch 51 durch Vorsehen eines zusätzlichen Codebuches angewendet werden.
Die Indexdaten der optimalen Codevektoren, die so von der Auswertungseinheit 17 gewählt werden, werden dann über eine Übertragungsleitung an eine Empfangsseite übertragen. Wenn das Codebuch 21 128 Gestaltcodevektoren einschließt, und das Codebuch 51 acht Verstärkungscodewerte einschließt, wie zuvor erwähnt wurde, werden 10 Bit Daten für die Übertragung erforderlicher Information verwendet.
Fig. 10(B) zeigt die Vektorsynthetisierungsvorrichtung, die auf der Empfangsseite zum Reproduzieren des Sprachsignals von den übertragenen Daten verwendet wird.
Bezugnehmend auf Fig. 10(B) hat die empfangsseitige Vorrichtung eine Konstruktion, die der Vorrichtung der Übertragungsseite darin ähnlich ist, daß ein Codebuch 61 entsprechend dem Codebuch 21 vorgesehen ist, und die Gestaltcodevektoren, die in dem Codebuch 61 gespeichert sind, daraus mittels einer Adressiereinheit 62 ausgelesen werden, die der Adressiereinheit 22 entspricht. Außerdem ist ein Codebuch 63 zum Aktualisieren der in dem Codebuch 61 gespeicherten Gestaltcodevektoren über eine Adressiereinheit 64 vorgesehen, die der Adressiereinheit 64 entspricht. Zusätzlich ist ein Codebuch 65 entsprechend dem Codebuch 51 zum Speichern der Verstärkungscodewerte vorgesehen, und eine Adressiereinheit 66 entsprechend der Adressiereinheit 52 liest die in dem Codebuch 65 gespeicherten Vers tärkungscodewerte aus.
Die über die Übertragungsleitung übertragenen Daten werden an die Adressiereinheit 62 geliefert, und außerdem an die Adressiereinheit 66, so daß die Indexdaten, die den Index des optimalen Gestaltcodevektors in dem Codebuch 21 darstellen, an die Adressiereinheit 62 geliefert werden. Außerdem werden die Indexdaten, die den Index des optimalen Verstärkungscodewertes in dem Codebuch 51 darstellen, an die Adressiereinheit 66 geliefert. Solch eine Separierung der Daten wird einfach durch Verwenden der oberen 3 Bit Daten der übertragenen 10 Bit Daten für die Adressierung des Verstärkungscodewertes in dem Codebuch 65 und durch Verwenden der unteren 7 Bit Daten für die Adressierung der Gestaltcodevektoren in dem Codebuch 61 erzielt.
Die so aus den Codebüchern 61 und 65 ausgelesenen Codevektoren werden dann miteinander in einem Multiplizierer 67 multipliziert, der dem Multiplizierer 53 entspricht, und der Multiplizierer 67 erzeugt eine Ausgabe an einen Verstärkungs-Verstärker 68 entsprechend dem Verstärkungs- Verstärker 54. Außerdem werden die aus dem Codebuch 61 ausgelesenen Gestaltcodevektoren bezüglich der Verwendungshäufigkeit in einem Zähler 70 gezählt, der dem Zähler 18 entspricht, und der Zähler steuert die Adressiereinheit 64 zum Aktualisieren derjenigen Gestaltcodevektoren, deren Verwendungshäufigkeit unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist, die identisch mit der Schwelle eingestellt ist, die verwendet wird, wenn die Gestaltcodevektoren mittels der Adressiereinheit 15 aktualisiert werden. Dadurch arbeitet die Adressiereinheit 64 exakt identisch mit der Adressiereinheit 15. Weil die Verwendungshäufigkeit der Codevektoren in dem Codebuch 61 identisch mit den Gestaltcodevektoren in dem Codebuch 21 ist, wird die Aktualisierung des Codebuches 61 exakt identisch mit der Aktualisierung des Codebuches 21 erreicht. Mit anderen Worten, erfordert das Telekommunikationssystem der Fig. 10(A) und 10(B) nicht die Übertragung von Information über die Aktualisierung des Codebuches separat von der Übertragung von Daten.
Die Ausgabe des Multiplizierers 67 wird dann an einen Verstärkungs-Verstärker 68 entsprechend dem Verstärkungs Verstärker 54 geliefert, wo die Verstärkung in Übereinstimmung mit der Ausgabe des Verstärkers 68 abgeglichen wird. Außerdem wird dann die Ausgabe des Verstärkers 68, die den optimierten Codevektor der Codebücher 61 und 65, multipliziert mit der optimalen Verstärkung , darstellt, durch ein Synthesefilter 69 geleitet, das dem Synthesefilter 23 zum Simulieren der Akustik des Sprachtraktes entspricht. Dadurch wird ein synthetisches Sprachsignal als eine Ausgabe des Filters 69 erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es können verschiedene Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie mittels der beigefügten Ansprüche definiert ist.
Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen dem besseren Verständnis und beschränken nicht den Umfang.

Claims

1. Vektorquantisierungsvorrichtung zum Codieren eines Eingangssignals mittels eines Vektorquantisierungsvorganges, mit einem ersten Codebuch (21) zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Adressen, ersten Adressiereinrichtungen (22), die erste Indexdaten (ADRESSE) zum Selektieren eines in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektors als Reaktion auf die ersten Indexdaten erhalten; Syntheseeinrichtungen (23), die den ausgewählten Codevektor von dem ersten Codebuch erhalten, um ein synthetisches Signal zu erzeugen, das das Eingangssignal simuliert; Auswertungseinrichtungen (17), die das Eingangssignal erhalten, und außerdem das synthetische Signal von der Syntheseeinrichtung, zum Auswerten einer Differenz dazwischen, wobei die Auswertungseinrichtungen nach einen Codevektor suchen, der die Differenz minimiert, und die ersten Indexdaten, die einen Codevektor spezifizieren, worin die Differenz minimiert ist, als eine codierte Ausgabe erzeugen;

wobei die Vorrichtung ferner umfaßt:

ein zweites Codebuch (14) zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Adressen;

zweite Adressiereinrichtungen (15), die zweite Indexdaten zum Auswählen eines in dem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektors erhalten; und

Aktualisierungseinrichtungen (15, 18) zum Zählen der Auswahlhäufigkeit der Codevektoren für jeden der in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierungseinrichtungen die ersten Indexdaten und die zweiten Indexdaten zum Ersetzen eines in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektors, der von den ersten Indexdaten adressiert wird, erzeugen, wenn die Verwendungshäufigkeit des Codevektors unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist, mit einem in dem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektor, der mittels der zweiten Indexdaten adressiert wird.

2. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausertungseinrichtung (17) ein Zählsignal jedesmal erzeugt, wenn ein Codevektor in dem ersten Codebuch (21) ausgewählt wird, für jeden der Codevektoren darin; die Aktualisierungseinrichtung umfaßt: Zähleinrichtungen (18), die das Zählsignal von der Auswertungseinrichtung erhalten, zum Zählen der Auswahlhäufigkeit für jeden der Codevektoren in dem ersten Codebuch; Schwellwerteinrichtungen (15a), die das Zählergebnis von der Zähleinrichtung für jeden der Codevektoren in dem ersten Codebuch und eine vorbestimmte Schwelle zum Identifizieren der Codevektoren in dem ersten Codebuch, die mit einer geringeren Häufigkeit als die vorbestimmte Schwelle ausgewählt werden, erhalten; zweite Indexdatenerzeugungseinrichtungen zum Erzeugen der zweiten Indexdaten; und Datentransfereinrichtungen (15e) zum Transferieren des in dem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektors, wenn er von den zweiten Indexdaten adressiert wird, an das erste Codebuch, so daß der Codevektor in dem ersten Codebuch, der von den Schwelleneinrichtungen als der Codevektor identifiziert wird, dessen Auswahlhäufigkeit kleiner ist als die vorbestimmte Schwelle, von dem von den zweiten Indexdaten transferierten Codevektor überschrieben wird.

3. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (18) eine Vielzahl von Zählern (18c) umfaßt, die in Entsprechung zu jedem Index der Codevektoren in dem ersten Codebuch (21) vorgesehen sind, und die Evaluierungseinrichtung die ersten Indexdaten (ADRESSE) an die Zähleinrichtung als das Zählsignal liefert.

4. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datentransfereinrichtung einen Pufferverstärker (15e) zum Auslesen des Codevektors von dem zweiten Codebuch (14) über die zweite Adressierungseinrichtung (15d) und zum Schreiben desselben in das erste Codebuch (21) über die erste Adressierungseinrichtung (22) umfaßt.

5. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Indexdatenerzeugungseinrichtung einen Indexzähler (15c) zum Zählen einer Anzahl, wie oft die Codevektoren im ersten Codebuch überschrieben werden, und Erzeugen der Anzahl als die zweiten Indexdaten, umfaßt.

6. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Indexdatenerzeugungseinrichtung einen Indexzähler (15c) umfaßt, der mit einer vorbestimmten Rate läuft und eine gezählte Anzahl als die zweiten Indexdaten erzeugt.

7. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Indexdatenerzeugungseinrichtung einen Zufallszahlengenerator (31) umfaßt, der eine Zufallszahl als die zweiten Indexdaten erzeugt.

8. Vektorquantisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner einen Trainierschaltkreis (41) umfaßt, der die Eingabe für ein Signal zum Modifizieren der in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektoren erhält, so daß die von der Auswertungseinrichtung ausgewertete Differenz minimiert wird.

9. Übertragungssystem mit einem Codierer, der eine Vektorquantisierungsvorrichtung verwendet, und einem Decoder; wobei der Codierer umfaßt:

ein erstes Codebuch (21) zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Adressen;

erste Adressiereinrichtungen (22), die erste Indexdaten zum Auswählen eines in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektors als Reaktion auf die ersten Indexdaten erhalten;

Syntheseeinrichtungen (23), die den ausgewählten Codevektor von dem ersten Codebuch erhalten, zum Erzeugen eines synthetischen Signals, das das Eingangssignal simuliert;

Auswertungseinrichtungen (17), die das Eingangssignal und das synthetische Signal von den Syntheseeinrichtungen erhalten, zum Auswerten einer Differenz dazwischen, wobei die Auswertungseinrichtung nach einem Codevektor sucht, der die Differenz minimiert, und die ersten Indexdaten als eine codierte Ausgabe erzeugen, die einen Codevektor spezifizieren, worin die Differenz minimiert ist;

zweite Adressierungseinrichtungen (15), die zweite Indexdaten zum Auswählen eines in dem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektors erhalten; und

erste Aktualisierungseinrichtungen (15, 18) zum Zählen der Auswahlhäufigkeit der Codevektoren für jeden der in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierungseinrichtungen die ersten Indexdaten und die zweiten Indexdaten zum Ersetzen eines in dem ersten Codebuch gespeicherten Codevektors, der von den ersten Indexdaten adressiert wird, wenn die Verwendungshäufigkeit des Codevektors unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist, durch einen in dem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektor, der von den zweiten Indexdaten adressiert wird, erzeugt;

wobei der Decoder umfaßt:

ein drittes Codebuch (61) zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Adressen;

dritte Adressiereinrichtungen (62), die die codierte Ausgabe von den Auswertungseinrichtungen als dritte Indexdaten zum Auswählen eines in dem dritten Codebuch gespeicherten Codevektors als Reaktion auf die dritten Indexdaten erhalten;

zweite Syntheseeinrichtungen (69), die den ausgewählten Codevektor von dem dritten Codebuch erhalten, zum Erzeugen eines synthetischen Signals, das das Eingangssignal als ein reproduziertes Signal simuliert;

ein viertes Codebuch (63) zum Speichern einer Vielzahl von Codevektoren an jeweiligen Adressen;

vierte Adressiereinrichtungen (64), die vierte Indexdaten zum Auswählen eines in dem vierten Codebuch gespeicherten Codevektors erhalten; und

zweite Aktualisierungseinrichtungen (64, 70) zum Zählen der Auswahlhäufigkeit der Codevektoren für jeden der in dem dritten Codebuch gespeicherten Codevektoren, wobei die Aktualisierungseinrichtung die dritten Indexdaten und die vierten Indexdaten zum Ersetzen eines in dem dritten Codebuch gespeicherten Codevektors, der von den dritten Indexdaten adressiert wird, wenn die Verwendungshäufigkeit des Codevektors unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist, durch einen in dem vierten Codebuch gespeicherten Codevektor, der von den zweiten Indexdaten adressiert wird, erzeugt.

10. Codierer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer ferner umfaßt: ein fünftes Codebuch (51) zum Speichern von Verstärkungscodewerten, die die Verstärkung darstellen, an jeweiligen Adressen; fünfte Adressiereinrichtungen (52), die fünfte Indexdaten von der Auswertungseinrichtung erhalten, zum Auswählen eines Verstärkungscodewertes in dem fünften Codebuch; Verstärkungs-Verstärkereinrichtungen (53, 54), die einen Gestaltcodevektor von dem ersten Codebuch über die ersten Adressiereinrichtungen und einen Verstärkungscodewert von dem fünften Codebuch über die fünften Adressiereinrichtungen erhalten, zum Verstärken des von dem ersten Codebuch gelieferten Codevektors mit einer mittels des Verstärkungscodewertes von dem fünften Codebuch spezifizierten Verstärkung, wobei der Codierer die fünften Indexdaten als einen Teil der codierten Ausgabe ausgibt.

11. Codierer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Decoder ferner umfaßt: ein sechstes Codebuch (65) zum Speichern von Verstärkungscodewerten, die die Verstärkung darstellen, an jeweiligen Adressen; sechste Adressiereinrichtungen (26), die sechste indexdaten von dem Codierer als decodierte Ausgabe zum Auswählen eines in dem sechsten Codebuch gespeicherten Verstärkungscodewertes erhalten, und Verstärkungs- Verstärkereinrichtungen (67, 68) zum Verstärken des aus dem dritten Codebuch mittels der dritten Adressiereinrichtungen ausgelesenen Gestaltcodewertes mit einer Verstärkung, die durch den Gestaltcodewert spezifiziert wird, der aus dem sechsten Codebuch mittels der sechsten Adressiereinrichtungen ausgelesen wird.

12. Verfahren zum Codieren eines Eingangssignals mit einem Vektorquantisierungsprozeß, mit den Schritten:

Erfassen einer Verwendungshäufigkeit eines in einem ersten Codebuch gespeicherten Codevektors; und

Identifizieren der Codevektoren, deren Verwendungshäufigkeit kleiner ist als eine vorbestimmte Schwelle; gekennzeichnet durch

Ersetzen der so identifizierten Codevektoren mit einem anderen, in einem zweiten Codebuch gespeicherten Codevektor.