KR0152016B1 - 가변 비트할당을 이용한 부호화 및 복호화시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오디오신호의 부호화 및 복호화시스템에 관한 것으로, 입력신호의 주파수성분을 분석하고, 청각특성과 입력신호를 결합하여 신호의 스펙트럼분석을 수행하고, 스펙트럼분석결과를 이용하여 양자화에 소요되는 데이타 비트수를 가변적으로 할당하고, 이 할당된 비트수에 따라 각 주파수 성분의 신호를 양자화하고, 양자화된 데이타가 저장되는 정도인 버퍼점유율을 발생하여 버퍼점유율에 따라 비트할당이 적용적으로 변환되도록 하는 부호화시스템과, 이러한 부호화시스템에 의해 부호화된 각 주파수성분의 신호를 역양자화한 다음 합성하여 본래의 신호로 재생하는 복호화시스템에 관한 것이다.

Description

가변 비트할당을 이용한 부호화 및 복호화시스템.

제1도는 종래의 비트할당을 이용한 부호화장치의 일예를 나타내는 블록도.

제2도는 제1도의 장치에서 스펙트럼분석결과를 나타내는 파형도.

제3도는 종래의 비트할당을 이용한 복호화장치의 일예를 나타내는 블록도.

제4도는 종래의 비트할당방법에 의한 데이타상태를 나타내는 개략도.

제5도는 본 발명에 의한 가변 비트할당을 이용한 부호화장치의 일예를 나타내는 블록도.

제6도는 본 발명에 의한 가변 비트할당을 이용한 복호화장치의 일예를 나타내는 블록도.

제7도는 본 발명의 비트할당방법에 의한 데이타상태를 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 주파수분석부 13 : 청각특성저장부

15,33 : 비트할당부 14 : 스펙트럼분석부

16 : 양자화부 17 : 포매팅부

31 : 디포매팅부 32 : 역양자화부

34 : 부대역합성부 50, 60 : 버퍼

본 발명은 신호의 부호화 및 복호화시스템에 관한 것으로, 특히 부호화를 위해 할당되는 입력신호의 데이타 비트수를 적응적으로 변환함으로써 기록 및 전송에 유용한 상태로 데이타를 압축하고, 본래의 상태에 보다 가까운 신호로 재생할 수 있는 부호화 및 복호화시스템에 관한 것이다.

일반적으로 인간의 청력은 약 20㎑까지의 주파수성분을 가청범위로 한다. 기존의 디지탈오디오제품인 CD나 DAT등은 이러한 청각특성을 이용하여 40㎑이상의 샘플링주파수에서 16비트의 해상도로 오디오신호를 샘플링하여 기록 및 재생한다. 이런 경우 신호를 일그러짐없이 처리할 수 있는 동작범위인 96dB의 다이내믹레인지(Dynamic Range)와 광대역의 오디오 신호를 재생할 수 있다. 이와 같이 샘플링된 디지탈 오디오신호를 기록 및 재생하거나 전송 및 수신할 때 채널당 700kbit/sec 이상이 소요되는데, 응용제품에 따라서는 이 소요데이타량이 과다하여 구현에 어려움이 있을 수 있다. 이런 점을 해결하기 위하여, CD의 음질을 그대로 유지하면서 4배 이상의 데이타 압축을 수행하기 위한 여러가지 방식이 제안되고 있다.

제1도는 종래의 오디오신호 부호화장치의 일예를 나타낸다. 제1도의 부호화장치는 아날로그 오디오신호를 디지탈신호로 변환하는 A/D변환부(11)와, 디지탈 오디오신호의 주파수성분을 분석하는 주파수분석부(12)와, 인간의 청각특성데이타를 저장하고 있는 청각특성저장부(13)와, 디지탈 오디오신호를 스펙트럼분석하여 청각특성상 노이즈를 감지할 수 없는 임계레벨을 산출하는 스펙트럼분석부(14)와, 주파수분석부(12)에서 나누어진 각 주파수 성분에 대해 스펙트럼분석부(14)에서 산출되는 임계레벨을 초과하지 않는 한도내에서 충분한 데이타 비트를 할당하는 비트할당부(15)와, 비트할당부(15)에서 할당된 비트를 이용하여 주파수분석부(12)에서 나누어진 각 주파수 성분의 신호를 양자화하는 양자화부(16)와, 양자화부(16)에서 양자화된 데이타를 적절한 형식의 데이타패킷으로 포매팅하여 전송하는 포매팅부(17)로 이루어진다.

제1도에서 약 20㎑의 주파수대역폭을 갖는 오디오신호가 A/D변환부(11)를 통해 디지탈신호로 변환되며, 이 디지탈신호는 일반적으로 40㎑ 이상의 샘플링주파수(f_s)와 16비트정도의 해상도를 갖는다. 이와 같이 변환된 디지탈오디오신호는 주파수분석부(12)에서 신호의 주파수성분에 대한 분석이 이루어지며 이에 따라 부대역(subband)의 주파수성분으로 나누어진다. 스펙트럼분석부(14)는 A/D변환부(11)에서 출력되는 오디오신호에 대해 스펙트럼분석을 수행한다. 제2도에 도시된 바와 같이 스펙트럼분석부(14)는 디지탈오디오신호에 대해 스펙트럼분석(S_SPT)과, 청각특성저장부(13)로부터 인간의 청각특성에 관한 데이타를 공급받아 청각특성상 노이즈가 존재하더라도 감지할 수 없는 최대 레벨인 매스킹임계값(Masking Threshold)(S_MT)을 구하다. 그러면, 비틀할당부(15)는 스펙트럼분석부(14)의 분석결과를 참조하여, 양자화했을 때 존재하는 노이즈(S_QN)가 매스킹임계값(S_MT)을 초과하지 않는 한도내에서 각 주파수대역에 비트를 충분히 할당한다. 양자화부(16)는 이와 같이 각 주파수대역마다 할당된 비트를 이용하여 각 주파수대역의 오디오신호를 양자화한다. 양자화된 오디오신호는 포매팅부(17)로 공급되어 부가정보가 포함된 적절한 포맷으로 구성된다. 이 부가정보는 양자화부(16)에서 양자화에 필요로 하는 소정량의 단위데이타에 대해 할당된 비트수에 대한 비트할당정보를 포함하고 있다. 포매팅부(17)에서 출력되는 부호화된 오디오신호(S_CD)는 기록되거나 전송된다. 이와 같이, 부호화장치에서 디지탈오디오신호의 스펙트럼분석과 각 주파수대역에 대한 비트할당은 일정한 시간간격으로 이루어진다. 이하, 이러한 일정 시간간격으로 나누어진 오디오신호의 각 데이타묶음을 프레임이라 한다.

제3도는 종래의 오디오신호 복호화장치의 일예를 나타낸다. 제3도의 장치는 제1도의 부호화장치에서 전송되는 부호화된 데이타(S_CD)을 해체하고 순수한 오디오데이타성분과 부가정보를 분리하는 디포매팅부(31)와, 디포매팅하여 얻어진 각 주파수대역의 데이타를 역양자화하는 역양자화부(32)와, 부가정보로부터 역양자화에 필요한 비트할당정보를 제공하는 비트할당부(33)와, 역양자화된 각 주파수대역의 오디오신호를 공급받아 디지탈합성음을 만드는 부대역합성부(34)와, 디지탈합성음을 아날로그신호로 변환시켜 최종 오디오신호(S_A)를 출력하는 D/A변환부(35)로 이루어진다.

이와 같은 종래의 부호화 및 복호화시스템에서는 전송데이타를 어느 정도로 압축할 것인가가 정해지면 하나의 프레임에 할당되는 비트수가 결정되고, 이 한정된 비트를 각 주파수대역에 적절히 할당한다.

제4도는 종래의 비트할당방식에 의한 각 주파수대역의 MNR(Mask to Noise Ratio)을 나타낸다. 제4도의 (a)에 도시된 바와 같이, 비트할당은 MNR이 가장 낮은 부분부터 1비트씩 차례로 할당하여 전체적으로 MNR이 거의 균일하게 상승되도록 한다. 참고로, 디지탈신호처리에서 샘플데이타를 표현할 때 데이타비트가 1비트씩 증가하면 SNR(Signal to Noise Ratio)은 약 6dB씩 증가하는 것으로 알려져 있다.

이와 같이 비트할당에 의해 발생되는 최종 MNR은 제4도의 (b) 도는 (c)와 같이 된다. 제4도의 (b)는 MNR에 비해 상대적으로 비트가 충분히 할당된 경우로서,전체 주파수대역에 걸쳐 MNR을 0dB 이상으로 상승시킴으로써 원음에 가까운 음을 재현할 수 있다.

반면에 제4도의 (c)는 MNR에 비해 상대적으로 비트가 불충분하게 할당된 경우로서, 어떤 주파수대역에서는 할당된 비트를 전부 소모한 상태에서도 MNR이 0dB보다 작은 경우가 생긴다. 이와 같이 MNR이 0dB보다 작은 경우, 청취시 귀에 거슬리는 음이 들린다.

종래의 부호화 및 복호화장치는 분할된 각 주파수대역의 오디오신호를 양자화하는데 필요한 비트수를 할당함에 있어서, 각 프레임에 대해 일정한 비트수를 할당함으로써 할당된 비트를 모두 사용하여도 MNR이 0dB보다 작은 주파수대역이 생기게 된다. 이러한 주파수대역은 청취시 귀에 거슬리는 음을 발생하는 원인이 된다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 새로운 비트할당방식을 제공함과 아울러 각 프레임에 할당되는 비트수를 가변적으로 할당함으로써 원신호에 보다 가까운 신호로 재생할 수 있는 가변 비트할당을 이용한 부호화 및 복호화시스템을 제공함에 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

제5도는 본 발명에 의한 오디오신호의 부호화장치의 일 실시예를 나타낸다. 제5도의 부호화장치는 제1도의 부호화장치에 버퍼(50)를 추가로 구비하여 이루어진다. 제5도에서 제1도의 장치와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하였으며, 동일한 구성요소의 동작설명은 앞에서 설명하였으므로 생략하기로 한다. 제5도에서, 버퍼(50)는 포매팅부(17)로부터 가변적인 비율로 입력되는 데이타를 저장하였다가 고정적인 비율로 출력하는 저장수단이다. 부호화되는 오디오신호는 각 프레임마다 데이타가 부족하거나 남을 수 있으므로 비트가 남는 프레임에서 비트를 절약하여 이를 비트가 부족한 프레임에 할당할 필요가 있는데, 여기서 버퍼(50)는 이러한 가변적인 비트할당에 필요한 정보를 제공하는 역할을 한다. 이를 위해, 버퍼(50)는 데이타가 버퍼에 저장된 정도인 버퍼점유율을 비트할당부(15)로 공급하므로써, 버퍼점유율에 따라 비트할당이 가변적으로 이루어지도록 한다. 비트할당부(15)는 버퍼(50)의 점유율에 따라 3가지 모드로 비트할당을 수행한다. 제1모드는 버퍼점유율이 높은 경우(제2소정 기준값 이상인 경우), 즉 버퍼(50)가 저장데이타로 거의 충만되어 있는 경우, 비트할당부(15)는 제1고정비에 따라 양자화부(16)에 비트할당정보를 제공한다. 이때, 제1고정비는 하나의 프레임에 할당되는 최대 비트수가 프레임당 평균 비트수가 되도록 하여 오버플로우(overflow)가 발생되지 않도록 한다. 이와 같이 최대 비트수가 한정되는 제1고정비에 의해 비트가 할당되면, 비트가 조금만 소요되는 프레임이 존재할 수 있으므로, 버퍼(50)의 점유율이 차츰 낮아지게 된다. 버퍼점유율이 제1,2의 소정 기준값 사이이면 비트할당부(15)는 제2모드상태로 된다. 제2모드는 각 프레임에 대해 가변적인 할당비로 비트할당을 수행한다. 즉, 각 프레임에서 필요로 하는 비트수 만큼을 할당하여 각 주파수대역의 MNR이 전체 주파수대역에 걸쳐 0dB 이상이 되도록 한다. 이와 같은 가변할당비에 의해 양자화되는 데이타는 각 프레임마다 가변적인 데이타량을 갖게 된다. 또한, 버퍼(50)가 거의 비어 점유율이 제1소정 기준값 이하로 낮아지는 경우, 비트할당부(15)는 제3모드로 변환되어 제2고정비에 의해 비트할당이 이루어지도록 양자화부(16)에 비트할당정보를 제공한다. 제2고정비는 하나의 프레임에 할당되는 최소 비트수가 프레임당 평균 비트수가 되도록 하므로써 언더플로우(underflow)가 발생되지 않도록 한다. 비트가 남는 경우에도 각 주파수대역의 MNR이 상승하도록 이 비트들을 할당한다.

제6도는 본 발명에 의한 복호화장치의 일 실시예가 도시되어 있다. 제6도의 복호화장치는 제3도의 복호화장치에 버퍼(60)를 추가로 구비한다. 여기서, 버퍼(60)는 제5도의 부호화장치에서 전송되는 부호화된 오디오신호를 저장하는 역할을 한다. 버퍼(60)에 저장된 오디오신호를 디포매팅부(31)는 부호화된 신호의 포맷을 해체하면서 순수한 오디오데이타성분과 부호화시 양자화에 필요한 소정량의 단위데이타에 대해 할당된 비트수를 비트할당정보로서 포함하고 있는 부가정보로 분리한다. 디포매팅부(31)에서 출력되는 각 주파수대역의 오디오데이타는 역양자화부(32)에서 역양자화되고 부가정보는 비트할당부(33)로 공급된다. 이때, 역양자화부(32)는 비트할당부(33)에서 공급되는 비트할당정보에 따라 역양자화되는 각 주파수대역에 소정의 비트수를 할당한다. 이와 같이 역양자화된 각 주파수대역의 디지탈오디오신호는 부대역합성부(34)에서 합성된다. 이 합성된 디지탈오디오신호는 D/A변환부(35)에서 아날로그오디오신호(S_A)로 변환되어 출력된다.

제7도는 본 발명의 비트할당방식에 의한 각 주파수대역의 MNR을 나타낸다. 제7도의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 저주파성분부터 차례로 MNR을 0dB 이상으로 상승될 때 까지 비트를 할당해 간다. 즉, 비트가 불충분할 때 가능한 한 저주파성분쪽에 비트를 할당하는 것이 기본원칙이다. 제7도의 (b)는 비트가 상대적으로 충분한 경우로서, 전체 주파수 대역의 MNR을 0dB 이상이 되어 원음이 충실하게 재현된다. 반면에, 제7도의 (c)는 비트가 상대적으로 불충분한 경우로서, 저주파에는 비트가 할당되어 MNR을 0dB 이상을유지하지만, 최고주파의 몇 주파수대역은 비트가 할당되지 않으며, 이에 따라 비트가 할당되지 않는 주파수대역(X)의 신호는 전송되지 않는다. 이는 결과적으로 저역통과필터링과 같은 효과를 갖는다. 이와 같이, 본 발명의 비트할당방식에서는 최고주파성분이 일부 누락될 수 있으나, 이는 인간의 청각특성상 별로 거부감을 느끼지 않으며, 종래의 비트할당방식에서 전체 주파수대역에 대해 비트를 할당하면서 MNR을 0dB보다 낮은 주파수대역이 존재하는 경우보다 훨씬 향상된 음질을 제공한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 부호화 및 복호화시스템은 분할된 각 주파수대역의 오디오신호를 양자화함에 있어서, 할당된 비트가 남는 프레임에서 비트를 절약하여 비트가 부족한 프레임에 할당하고, 비트할당은 저주파성분부터 충분하도록 할당하고 각 주파수대역의 MNR을 0dB 이상이 되도록 함으로써 한정된 데이타량으로 오디오신호를 부호화하고, 복호화시원음에 보다 가까운 음으로 재생할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예로서 오디오신호의 부호화 및 복호화에 대해서만 설명하였으나, 본 발명에 의한 가변 비트할당을 이용한 부호화 및 복호화시스템은 오디오신호 뿐만 아니라 비디오신호에 대해서도 적용이 가능하다. 비디오신호의 처리에 사용하는 경우 보다 부드러운 화면을 유지하면서도 효과적인 데이타압축을 수행할 수 있다.

Claims (18)

1. 입력신호의 주파수성분을 분석하는 단계와, 입력신호를 스펙트럼분석하여 청각특성상 노이즈를 감지할 수 없는 소정의 임계레벨을 산출하는 단계와, 상기 임계레벨을 이용하여 상기 분할된 각 주파수대역의 신호를 양자화하는 단계를 포함하는 부호화방법에 있어서, 양자화되어 적절한 형식으로 포매팅된 데이타가 저장되는 단게와, 상기 데이타 저장단계에서 데이타가 저장되는 정도인 점유율을 발생하는 단계와, 상기 스펙트럼분석결과 얻어진 임계레벨과 상기 점유율에 따라 양자화에 필요한 비트수를 적응적으로 할당하는 단계와, 상기 할당된 비트수에 따라 상기 분할된 각 주파수대역의 신호를 양쟈화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 비트할당단계는 상기 데이타점유율이 소정 기준값 이하이거나 다른 소정 기준값 이상인 경우 소정의 고정비로 비트를 할당하는 단계와, 상기 데이타점유율이 상기 2개 소정 기준값 이내에 존재하는 경우 가변적인 비율로 비트를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 고정비 비트할당단계는 상기 데이타점유율이 소정 기준값 이하인 경우, 양자화되는 소정량의 단위데이타에 대해 할당되는 비트수가 평균비트수 이상인 것을 특징으로 하는 부호화방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 고정비 비트할당단계는 상기 데이타점유율이 다른 소정 기준값 이상인 경우, 양자화되는 소정량의 단위데이타에 대해 할당되는 비트수가 평균비트수 이하인 것을 특징으로 하는 부호화방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 가변적인 비트할당단계는 양자화되는 소정량의 단위데이타에 대해 비트가 남는 단위데이타에서 비트를 절약하고, 절약된 비트를 비트가 부족한 단위데이타에 할당하는 것을 특징으로 하는 부호화방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비트할당단계는 양자화되는 신호에 대해 저주파대역의 신호부터 차례로 비트를 할당하는 단계와, 각 주파수대역의 신호의 MNR(Mask to Noise Ratio)이 0dB 이상이되도록 비트를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화방법.
7. 부호화된 신호를 복호화하기 위한 방법에 있어서, 제1항의 방법에 의해 부호화된 신호가 입력되는 단계와, 상기 부호화된 신호를 디포매팅하여 순수한 데이타성분의 신호와 부가정보로 분리하는 단계와, 상기 분리된 데이타성분의 신호를 역양자화하는 단계와, 상기 분리된 부가정보를 공급받아 상기 역양자화에서 필요한 비트할당 정보를 제공하는 단계와, 상기 역양자화된 각 주파수성분의 신호를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복호화방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 비트할당정보는 부호화시 양자화단계에서 소정량의 단위데이타에 대해 할당된 비트수로서 상기 부호화된 신호내에 있는 부가정보에 포함된 정보인 것을 특징으로 하는 복호화방법.
9. 입력신호의 주파수성분을 분석하는 수단과, 입력신호를 스펙트럼분석하여 청각특성상 노이즈를 감지할 수 없는 소정의 임계레벨을 산출하는 수단을 포함하는 부호화장치에 있어서, 부호화된 데이타를 공급받고, 데이타가 저장된 정도를 나타내는 점유율을 발생하는 버퍼와, 상기 스펙트럼분석수단에서 산출되는 임계레벨과 상기 버퍼의 점유율에 따라 양자화에 필요한 비트수를 적응적으로 할당하는 수단과; 상기 비트할당수단에서 공급되는 비트할당정보에 따라 상기 주파수분석수단에서 출력되는 각 주파수성분의 신호를 양자화하여 상기 버퍼로 공급하는 양자화수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 버퍼는 가변적인 비율로 입력되는 데이타를 저장하고, 저장된 데이타를 고정적인 비율로 출력하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 비트할당수단은 상기 버퍼점유율을 소정 기준값과 비교하는 수단과, 상기 비교결과에 따라 가변적인 비율로 비트를 할당하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 비교수단은 버퍼점유율에 대해 소정 크기의 제1 및 제2기준값을 설정하여, 상기 버퍼에서 공급되는 버퍼점유율을 상기 제1 및 제2기준값과 비교하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
13. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 비트할당수단은 상기 버퍼점유율이 상기 제1기준값 이하인 경우, 양자화되는 소정량의 단위데이타에 대해 할당되는 비트수가 평균 비트수 이상인 것을 특징으로 하는 부호화장치.
14. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 비트할당수단은 상기 버퍼점유율이 상기 제2기준값 이상인 경우, 양자화되는 소정량의 단위데이타에 대해 할당되는 비트수가 평균 비트수 이하인 것을 특징으로 하는 부호화장치.
15. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 비트할당수단은 상기 버퍼점유율이 상기 제1기준값과 제2기준값 사이인 경우, 양자화되는 소정량의 단위데이타에 대해 비트가 남는 단위데이타에서 비트를 절약하고, 절약된 비트를 비트가 부족한 단위데이타에 할당하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
16. 제9항에 있어서, 상기 비트할당수단은 상기 주파수분석수단에서 출력되는 신호에 대해 저주파대역의 신호부터 차례로 비트를 할당하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
17. 제9항 또는 제16항에 있어서, 상기 비트할당수단은 상기 주파수분석수단에서 출력되는 각 주파수성분의 신호의 MNR이 0dB 이상이 되도록 비트를 할당하는 것을 특징으로 하는 부호화장치.
18. 부호화장치에서 부호화된 신호를 공급받아 복호화하기 위한 장치에 있어서, 제9항의 부호화장치에 의해 부호화된 신호가 입력되는 입력단과, 상기 입력단으로 인가되는 부호화된 신호를 디포매팅하여 순수한 데이타성분의 신호와 부호화시 양자화에 필요한 소정량의 단위데이타에 대해 할당된 비트수를 비트할당정보로서 포함하고 있는 부가정보로 분리하는 수단과; 상기 분리된 데이타성분의 신호를 입력받아 역양자화하는 수단과; 상기 분리된 부가정보를 입력받아 부가정보 내에 있는 비트할당정보를 상기 역양자화수단에 제공하는 수단과; 상기 역양자화된 각 주파수성분의 신호를 합성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복호화장치.