KR100204471B1 - 디지탈 오디오 부호화기의 비트 할당 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치에 괸한 것으로, 본 발명의 비트 할당 장치는 필터뱅크(2)와 심리음향모델(4), 비트 할당부(20), 초기값 입력부(10), 양자화기(22), 비트스트림 포맷부(8)로 이루어진다.
필터뱅크(2)는 입력오디오신호를 소정의 밴드패스필터를 통해 서브밴드 코딩하고, 심리음향모델(4)은 입력오디오신호를 소정의 심리음향모델에 따라 처리하여 신호 대 마스크 비(SMR)를 출력한다. 그리고 초기값 입력부(10)는 비트 할당 정보를 계산하기 위해 초기 비트 할당값을 제공하고, 비트 할당부(20)는 심리음향모델(4)로부터 입력되는 신호 대 마스크 비(SMR)와 초기값입력부(10)로부터 입력되는 초기 할당값에 따라 비트 할당정보를 산출하며, 양자화기(22)는 비트 할당부(20)의 비트 할당정보에 따라 필터뱅크(2)에서 서브밴드 코딩된 샘플값을 양자화한다.
따라서 본 발명에 따르면 이전 프레임의 비트할당 정보를 현재 프레임의 비트할당을 위한 초기정보로서 이용하므로써 비트 할당 정보 계산의 반복 회수를 줄일 수 있다.

Description

디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치(A device for allocating bits in a digital audio encoder)
제1도는 일반적인 MPEG 오디오 부호화기의 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 비트 할당 장치가 구비된 MPEG 오디오 부호화기의 블록도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 필터뱅크 4 : 심리 음향 모델
6 : 비트할당 및 양자화기 8 : 비트스트림 포맷부
10 : 초기값 입력부 12 : 버퍼
14 : 멀티플렉서 20 : 비트 할당부
22 : 양자화기
본 발명은 디지털 오디오 부호화기에 관한 것으로, 특히 MPEG 오디오 부호화기에서의 비트 할당 정보 계산시 이전 프레임의 할당 정보를 이용하여 현재 프레임의 비트 할당 정보를 계산함으로써 비트 할당 정보 계산기의 반복 회수를 줄일 수 있는 디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치에 관한 것이다.
디지털 오디오는 80년대에 들어오면서 컴팩트디스크(CD)나 디지털 오디오 테이프(DAT)와 같은 대용량 저장 매체의 개발과 함께 오디오 기기의 표준이 되었다. 그러나, 디지털 오디오 데이터는 많은 정보량을 가지므로 공중파 방송 등의 제한된 대역폭을 갖는 매체에서 사용하기 위해서는 오디오 데이터를 압축하는 것이 필수적이다.
따라서, 80년대 후반부터 다양한 고음질 오디오 압축 기술이 개발되었으며, 이와 같은 기술은 공통적으로 기존의 데이터 압축기법에 사람의 청각 특성을 고려한 것들이다.
상기 오디오 압축 기술에서 대표적인 것으로는 동영상과 그에 부가되는 오디오 압축 방식의 표준안을 결정하는 MPEG/ISO에서 규정한 MPEG 규격이 있다. 즉, MPEG-1은 약 1.5Mbit/s에서 동영상과 오디오를 압축할 수 있는 부호화 방식으로서 MUSICAM(Masking-pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing) 방식을 사용하였다. 이것은 디지털 방송을 위한 6Mbit/s 이상의 전송율을 갖는 다채널 구조의 MPEG-2로 확장되었다.
상기 MUSICAM방식은 청각 특성을 이용한 서브밴드 부호화 방식으로서, 96 ∼128 Kbit/s에서 주관적으로 원음과 동일한 복원음을 얻을 수 있도록 되어 있다.
상기와 같이 MUSICAM 방식을 사용한 MPEG 오디오 부호화기는 제1도에 도시된 바와 같이, 입력신호(PCM data)를 다수개의 서브 밴드 샘플로 변환하여 출력하는 필터뱅크(2)와; 입력신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 스펙트럼 정보를 구하고, 이 스펙트럼 정보로부터 마스킹 임계값을 얻은 다음 이 마스킹 임계값과 상기 스펫트럼 정보로부터 결정된 각 서브밴드 샘플의 음압 레벨의 차를 구하여 신호 대 마스크 비(SMR : Signal to Mask Ratio)를 계산하여 출력하는 심리 음향 모델(4); 상기 심리 음향 모델(4)에서 출력된 신호 대 마스크 비를 사용하여 상기 각 서브 밴드 샘플에 비트를 할당하고, 할당된 비트에 따라 상기 각 서브 밴드 샘플을 양자화시켜 출력하는 비트 할당 및 양자화기(6); 상기비트할당 및 양자화기(6)에서 양자화되어 출력된 서브밴드 샘플 및 비트 할당 정보, 크기 정보(scale factor)등의 부가 정보를 비트스트림으로 포맷팅(formatting)하여 출력하는 비트스트림 포맷부(8)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 MPEG 오디오 부호화기에 있어서, 상기 필터뱅크(2)는 입력된 32개의 새로운 오디오 샘플을 차례로 512 샘플 크기를 갖는 버퍼에 저장하고, 이 버퍼에 분석 윈도우(analysis window)를 곱한 후, 512 샘플을 8개의 64 샘플 블록으로 나누고, 각 블록을 더하여 새로운 벡터를 구성한다.
여기에 하기 제1식과 같은 분석 행렬을 곱하여 32개의 서브밴드 샘플을 만든다.
그리고 , 심리 음향 모델(4)은 각 서브밴드에서 원음에 의해 마스킹되어 들을 수 없는 최대 잡음 레벨을 결정하고, 이 잡음 레벨(마스킹 임계값)을 사용해서 각 밴드의 실제 양자화 비트수를 결정하는 비트 할당을 할 수 있다.
제1도를 참조하면, 비트 할당 및 양자화기(6)는, 상기 심리음향모델(4)에서 출력된 신호 대 마스크 비를 사용하여 상기 각 서브밴드 샘플에 대해 비트를 할당하고, 이 할당된 비트에 따라 크기 정보(scale factor)에 의해 나누어져 정규화된 각 서브밴드 샘플들을 양자화한다.
이때, 각 서브밴드에 대한 크기 정보(scale factor) 계산은 양자화하기 이전에 행해지며, 상기 크기 정보(scale factor) 계산은 12 샘플마다 이루어지고, 12 샘플의 절대값 중 최대값을 찾아서 0에서 2사이로 정규화시킨다.
그리고, 비트 스트림 포맷부(8)는 상기 비트할당 및 양자화기(8)에서 출력된 양저화된 서브 밴드 샘플 및 비트 할당 정보, 크기 정보(scale factor)등의 부가 정보를 비트스트림으로 포맷하여 전송하는 것이다.
상기와 같은 종래의 MPEG 오디오 부호화기에 있어서, 비트 할당에 사용되는 기본 법칙은 한 프레임에서 사용 가능한 비트를 넘지 않으면서 그 프레임 전체의 잡음 대 마스크 비(NMR : Noise to Mask Ratio)를 최소화시키는데 있는 것이다.
이때, 상기 비트 할당의 계산은 초기 비트 할당값을 전 서브밴드에 0으로 하여 시작하며, 여기에 잡음 대 마스크 비가 최대인 서브 밴드에 우선적으로 비트 할당을 하여 사용 가능한 전체 비트가 모두 할당될 때 까지 반복함에 따라 계산량이 많아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 비트 할당 정보 계산시 이전 프레임의 비트 할당 정보를 이용하여 현재 프레임의 비트 할당 정보를 계산함으로써 비트 할당 정보 계산의 반복회수를 줄일 수 있는 디지틸 오디오 부호화기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치는, 입력 오디오 신호를 심리음향모델에 따라 압축부호화하여 부호화된 비트스트림을 출력하는 디지털 오디오 부호화기에 있어서, 입력오디오신호를 소정의 밴드패스필터를 통해 서브밴드 코딩하는 필터뱅크; 상기 입력오디오신호를 소정의 심리음향모델에 따라 처리하여 신호 대 마스크 비(SMR)를 출력하는 심리음향모델; 비트 할당 정보를 계산하기 위해 초기 비트 할당값을 제공하는 초기값 입력부; 상기 심리음향모델로부터 입력되는 신호 대 마스크 비(SMR)와 상기 초기값입력부로부터 입력되는 초기 할당값에 따라 비트 할당정보를 산출하는 비트 할당부; 상기 비트 할당부의 비트 할당정보에 따라 상기 필터뱅크에서 서브밴드 코딩된 샘플값을 양자화하는 양자화기; 및 상기 양자화된 오디오 데이터에 제어정보를 부가하여 소정 포맷으로 비트스트림을 형성하는 비트스트림 포맷부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치는, 심리음향모델에서 출력된 신호 대 마스크 비(SMR)를 사용하여 각 서브 밴드 샘플에 대해 비트 할당 정보를 계산할 때, 첫 프레임의 비트 할당 정보 계산시에는 0을 초기 비트 할당값으로 하여 비트 할당 정보를 계산하고, 두 번째 프레임부터는 이전 프레임의 비트 할당 정보를 초기 비트 할당값으로 하여 비트 할당 정보를 계산한다.
이를 위하여 본 발명에 따른 비트 할당 장치는 제2도에 도시된 바와 같이, 필터뱅크(2), 심리음향 모델(4), 비트 스트림 포맷부(8), 초기값 입력부(10), 비트 할당부(20), 양자화기(22)로 구성되고, 초기값 입력부(10)는 버퍼(12)와 멀티플렉서(14)로 이루어진다.
즉, 제2도는 본 발명에 따른 비트 할당 장치가 구비된 MPEG 오디오 부호화기의 블록도로서, 본 발명에 따른 비트 할당 장치가 구비된 MPEG 오디오 부호화기는, 입력신호(PCM data)를 다수개의 서브밴드 샘플로 변환하여 출력하는 필터뱅크(2)와; 입력신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 스펙트럼 정보를 구하고, 이 스펙트럼 정보로부터 마스킹 임계값을 얻은 다음 이 마스킹 임계값과 상기 스펙트럼 정보로부터 결정된 각 서브밴드 샘플의 음압 레벨의 차를 구하여 신호 대 마스크 비(SMR : Signal to Mask Ratio)를 계산하여 출력하는 심리 음향 모델(4); 비트 할당 정보를 계산을 위한 초기 비트 할당값을 입력하는 초기값 입력부(10); 상기 심리 음향 모델(4)에서 입력된 신호 대 마스크 비 및 상기 초기값 입력부(10)에서 입력된 초기 비트 할당값을 사용하여 각 서브밴드 샘플의 비트 할당 정보를 계산하여 출력하는 비트 할당부(20); 상기 비트 할당부(20)에서 입력된 비트 할당 정보에 따라 상기 각 서브 밴드 샘플을 양자화시켜 출력하는 양자화기(22) 및; 상기 양자화기(22)에서 양자화되어 출력된 서브밴드 샘플 및 비트 할당 정보, 크기 정보(scale factor)등의 부가 정보를 비트스트림으로 포맷팅(formatting)하여 출력하는 비트스트림 포맷부(8)를 포함하여 이루어져 있다.
그리고 상기 초기값입력부(10)는, 비트 할당부(20)에서 출력된 비트 할당 정보를 저장하였다가 출력하는 버퍼(12)와, 시스템제어부(미도시)에서 입력되는 제어신호에 따라 상기 버퍼(12)에서 출력된 비트 할당 정보와 0을 상기 비트 할당부(20)에 선택적으로 제공하는 멀티 플렉서(14)로 이루어져 있다. 이때 멀티플렉서(14)로 입력되는 제어신호는 현재 부호화되는 오디오 데아터의 프레임이 첫 번째 프레임이면 초기값 0을 선택하게 하고, 첫 번째 프레임이 아니면 버퍼(12)의 출력을 선택하게 된다.
따라서 상기 멀티플렉서(14)는 제어신호에 따라 첫 프레임의 비트 할당 정보 계산시에는 초기값 0을 상기 비트 할당부(20)로 제공하고, 두 번째 프레임부터는 상기 버퍼(20)에서 출력된 이전 프레임의 비트 할당 정보를 상기 비트 할당부(20)로 제공하도록 되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 비트 할당 장치가 구비된 MPEG 오디오 부호화기의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
필터뱅크(2)는 입력된 32개의 새로운 오디오 샘플을 차례로 512 샘플 크기를 갖는 버퍼에 저장하고, 이 버퍼에 분석 윈도우(analysis window)를 곱한 후, 512 샘플을 8개 64 샘플 블록으로 나누고 각 블록을 더하여 새로운 벡터를 구성한다.
여기에 하기 제1식과 같은 분석 행렬을 곱하여 32 개의 서브밴드 샘플을 만든다.
그리고, 심리 음향 모델(4)은 각 서브밴드에서 원음에 의해 마스킹되어 들을 수 없는 최대 잡음 레벨을 결정하고, 이 잡음 레벨(마스킹 임계값)을 사용해서 각 밴드의 실제 양자화 비트수를 결정하는 비트 할당을 할 수 있다.
이때, MPEG 방식에서는 두가지의 심리 음향 모델을 제공하는데, 제1심리 음향 모델은 신호의 스펙트럼으로부터 순음과 잡음 성분을 구분하는 과정과, 순음과 잡음의 개별 마스킹 임계값을 계산하는 과정, 절대 가청한계를 고려하여 전체 마스킹 임계값을 계산하는 과정 및, 각 서브밴드에서의 신호 대 마스크 비를 계산하는 과정을 거쳐 신호 대 마스크 비를 구한다. 즉, 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 스펙트럼을 구하고 이로부터 각 서브밴드에서의 음압 레벨을 결정한다.
여기에서 마스킹 성분이 순음 또는 잡음 인가에 따라 마스킹 곡선이 달라지므로 스펙트럼 정보로부터 순음 성분과 잡음 성분을 찾아내야 한다. 즉, 부분 최대값(local maxima)중에서 주위 신호보다 7dB 이상이 크면 순음으로 간주하여 순음 성분을 찾아낸 후 나머지 스펙트럼에서 하나의 임계 대역 내에서 하나의 잡음 성분을 구한다.
그리고 실험적으로 구해진 마스킹 함수를 적용하여 순음에 의한 마스킹 임계값을 구하고, 전체 마스킹 임계값은 개별 마스킹 임계값과 가청 한계의 합으로 구해진다. 또한 각 서브밴드에서의 음압 레벨과 마스킹 임계값과의 차를 구하여 신호 대 마스크 비(SMR : Signal to Mask Ratio)를 계산한다.
결국, 신호 대 마스크 비(SMR)가 작다면 신호의 음압 레벨이 작거나 마스킹이 많이 된 것이므로 적은 비트를 가지고 효과적인 양자화를 할 수 있다.
한편, 제2심리 음향 모델은, 신호의 임계대역에 따른 에너지를 계산하는 과정과, 스프레딩 함수와 컨벌루션, 청신경의 여기 정도를 계산하는 과정, 절대 가청 한계를 고려하여 마스킹 임계값을 계산하는 과정 및, 각 서브밴드에서의 신호 대 마스크 비(SMR)를 계산하는 과정을 거쳐 신호 대 마스크 비를 구하는 것이다.
이와 같은 제2심리 음향 모델은 고속 푸리에 변환 스펙트럼을 청신경의 여기 모델인 스프레딩 함수와 컨벌루션하여 마스킹 임계값을 구하므로, 계산량은 많지만 더 정교한 결과를 얻을 수 있는 것이다.
그리고, 초기값 입력부(10)는 비트 할당 계산을 위한 초기비트 할당값을 비트 할당부(20)로 제공하며, 비트 할당부(20)는 상기 심리 음향 모델(4)에서 입력된 신호 대 마스크 비(SMR) 및 상기 초기값입력부(10)에서 입력된 초기 비트 할당값을 사용하여 각 서브 밴드 샘플의 비트 할당 정보를 계산하여 양자화기(22)로 출력한다. 즉, 버퍼(12)는 상기 비트 할당부(20)에서 출력된 비트 할당 정보를 저장하였다가 멀티플렉서(14)로 출력하고, 멀티플렉서(14)는 제어신호에 따라 첫 프레임의 비트 할당 계산시에는 초기값 0을 상기 비트 할당부(20)로 제공하고, 두 번째 프레임부터는 상기 버퍼(12)에서 출력된 이전 프레임의 비트 할당 정보를 상기 비트 할당부(20)로 제공한다.
따라서, 상기 비트 할당부(20)에서 비트 할당 정보 계산시에 이전 프레임의 비트 할당 정보를 이용하여 현재 프레임의 비트 할당 정보를 계산함으로써 비트 할당 정보 계산의 반복 회수를 줄일 수 있는 것이다.
그리고 양자화기(22)는, 상기 비트 할당부(20)에서 입력된 비트 할당 정보에 따라 크기 정보(scale factor)에 의해 나누어져 정규화된 각 서브밴드 샘플들을 양자화한다.
이때, 각 서브 밴드에 대한 크기(scale factor) 계산은 양자화하기 이전에 행해지며, 상기 크기 정보(scale factor) 계산은 12 샘플마다 이루어지고, 12 샘플의 절대값중 최대값을 찾아서 0에서 2사이로 정규화시킨다.
그리고 비트스트림 포맷부(8)는 상기 양자화기(22)에서 출력된 양자화된 서브밴드 샘플 및 비트 할당 정보, 크기 정보(scale factor)등의 부가 정보를 비트스트림으로 포맷하여 전송하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 비트 할당 정보 계산시에 이전 프레임의 비트 할당 정보를 이용하여 현재 프레임의 비트 할당 정보를 계산함으로써 비트 할당 정보 계산의 반복 회수를 줄일 수 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 입력 오디오 신호를 심리 음향 모델에 따라 압축 부호화하여 소정 프레임의 부호화된 비트스트림을 출력하는 디지털 오디오 부호화기에 있어서, 입력 오디오신호를 소정의 밴드패스필터를 통해 서브 밴드 코딩하는 필터뱅크(2); 상기 입력 오디오 신호를 소정의 심리음향모델에 따라 처리하여 신호 대 마스크 비(SMR)를 출력하는 심리음향모델(4); 제어 신호에 따라 비트 할당 정보를 계산하기 위한 초기 비트 할당값을 제공하는 초기값 입력부(10); 상기 심리음향모델(4)로부터 입력되는 신호 대 마스크 비(SMR)와 상기 초기값입력부(10)로부터 입력되는 초기 할당값에 따라 비트 할당정보를 산출하는 비트할당부(20); 상기 비트 할당부(20)의 비트 할당정보에 따라 상기 필터뱅크(2)에서 서브밴드 코딩된 샘플값을 양자화하는 양자화기(22); 및 상기 양자화된 오디오 데이터에 부가정보를 포함시켜 소정 포맷으로 비트스트림을 형성하는 비트스트림 포맷부(8)를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초기값입력부(10)가, 상기 비트할당부(20)에서 출력된 비트 할당 정보를 저장하였다가 출력하는 버퍼(12)와, 제어신호에 따라 첫 프레임의 비트 할당 정보 계산시에는 초기값(0)을 상기 비트 할당부(20)로 제공하고, 두 번째 프레임부터는 상기 버퍼(12)에서 출력된 이전 프레임의 할당 정보를 상기 비트 할당부(20)로 제공하는 멀티플렉서(14)를 포함하여 구성된 것을 특징으로하는 디지털 오디오 부호화기의 비트 할당 장치.
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