KR100912826B1 - Ｇ．７１１ 코덱의 음질 향상을 위한 향상 계층 부호화 및복호화 장치와 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 G.711 코덱의 양자화 오류를 줄이기 위한 향상 계층 부호화/복호화에 대해 개시한다. 프레임의 각 샘플의 지수 정보를 기초로 각 샘플의 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 계산한 후, 지수 인덱스가 큰 값을 포함하는 샘플들부터 지수 인덱스가 낮은 값을 포함하는 샘플들에게 순차적으로 1비트씩 할당하는 과정을 일정 횟수 반복 수행하여 각 샘플당 할당되는 비트 수를 파악한 후, 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 최상위 비트들을 출력한다.

Description

Ｇ．７１１ 코덱의 음질 향상을 위한 향상 계층 부호화 및 복호화 장치와 그 방법{A enhancement layer encoder/decoder for improving a voice quality in G.711 codec and method therefor}

본 발명은 G.711 코덱 부호화기 및 복호화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 G.711 코덱의 양자화 오류를 줄이기 위한 향상 계층 부호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.

아날로그 음성을 단순히 샘플링하여 디지털로 변환하는 기술은 상대적으로 큰 비트율로 인해 대역폭이 좁은 응용 분야에 직접적으로 적용하기 어렵다. 예를 들어, 음성을 8 KHz로 샘플링하고 샘플당 16비트로 양자화하는 경우 초당 128,000비트의 비트율을 갖는다. 대부분의 음성 통신 망에서 낮은 비트율로 음선 신호를 효과적으로 전달하기 위해 음성 신호를 압축 및 복원하는 코덱 장치를 이용한다.

음성을 압축 및 복원하는 여러 가지 방법들 중 대표적인 것으로 PCM(Pulse Coded Modulation), CELP(Code-Excited Linear Prediction) 등이 있다. PCM은 음성 샘플을 정해진 비트 수로 압축하는 방식인 반면, CELP는 음성을 미리 정해진 블록 단위로 처리하여 음성 발생 모델을 기반으로 신호를 압축하는 방식이다. 응용분야 에 따라 다양한 형태의 코덱들이 개발되고 표준화되었으며, 가장 널리 사용되는 코덱은 PSTN 유선 전화와 인터넷 전화 등에서 사용되는 로그 PCM 코덱이다. 이 방식은 입력 신호의 크기에 따라 양자화 단계를 조정한다. 즉, 낮은 레벨의 입력 신호는 작은 양자화 단계를 사용하고, 큰 레벨의 입력 신호에 대해서는 큰 양자화 단계를 적용한다. 이 로그 PCM 방식의 코덱을 이용하면 샘플당 16 비트의 길이를 갖는 디지털 샘플을 샘플당 8비트로 압축할 수 있다. 따라서, 로그 PCM을 적용하여 8KHz로 샘플링하는 경우 얻어지는 비트율은 초당 64,000 비트다. 대표적인 로그 양자화 방식에는 A-law와 μ-law 두 가지 방식이 있으며, 각각은 아래 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, x는 입력 샘플, μ와 A는 각 양자화 방식에 대한 상수, C()는 각 방식으로 압축된 샘플, ||는 절대값을 의미한다.

A-law와 μ-law 방식은 ITU-T(International Telecommunication Union-Telecommunication Sector)에서 표준 권고안 G.711로 1972년에 표준화되었다. 이 표준에서 선택된 μ와 A 값은 각각 255(μ)와 87.56(A)이다. G.711 코덱은 실제 응 용에서 수학식 1을 직접 계산하기보다는 부동 소수점 양자화 방식을 이용한다. 각 샘플에 대하여 가용한 비트(G.711의 경우 8비트) 중 일부는 양자화 단계를 결정하는데 사용하고 나머지 비트는 결정된 양자화 단계 내에서의 위치를 표현하는데 사용한다. 전자를 지수(exponent) 비트라고 하고 후자를 가수(mantissa) 비트라고 한다. G.711 표준의 A-law 방식의 경우 샘플당 8비트에서 지수 정보를 위해서 3비트를 사용하고 가수 정보를 위하여 4비트를 사용한다. 나머지 1비트는 샘플의 부호를 표현하는데 사용된다.

G.711 표준 코덱은 8KHz로 샘플링된 협대역 음성 대하여 MOS(Mean Opinion Score) 4점 이상의 우수한 품질을 제공하며, 매우 적은 계산량과 메모리 요구량으로 구현이 가능하다. 그러나 G.711 방식으로 음성을 압축 및 복원했을 때 원음에 비해 양자화 오차로 인한 음질 저하가 존재한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, G.711 코덱의 양자화 오류를 줄이기 위하여 각 샘플에 추가 가수 정보를 할당하는 향상 계층 부호화 및 복호화 장치와 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, G.711 코덱의 양자화 오류를 줄이는 향상 계층 부호화 및 복호화가 적용된 부호화기 및 복호화기를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 향상 계층 부호화 방법의 일 실시예는, 프레임의 각 샘플의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 계산하는 단계; 현 지수 인덱스를 포함하는 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수와 같을 때까지 반복 수행하며, 상기 현 지수 인덱스를 최대값부터 상기 반복 수행시마다 1씩 작아지도록 설정하는 비트 할당 단계; 및 상기 프레임의 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 상기 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 최상위 비트들을 출력하는 단계;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 향상 계층 부호화기의 일 실시예는, 프레임의 각 샘플의 지수 정보로부터 얻어진 추가 가수 정보의 인덱스들 및 상기 각 샘플의 인덱스를 배열로 표현한 지수 맵을 생성하는 지수 맵 생성 부; 상기 지수 맵을 참조하여, 상기 추가 가수 정보의 지수 인덱스의 크기 순으로 각 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 상기 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수가 될 때까지 수행하여, 상기 각 샘플당 할당된 비트수를 나타내는 비트할당 테이블을 생성하는 비트 할당 테이블 생성부; 및 상기 비트할당 테이블을 참조하여, 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 상기 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 최상위 비트들을 출력하는 비트 출력부;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 부호화기의 일 실시예는, 입력 프레임을 부호화하는 G.711 부호화부; 상기 G.711 부호화부를 통해 얻어진 상기 입력 프레임의 각 샘플들의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플에 추가되는 추가 가수 정보의 비트 수를 유동적으로 할당하는 향상 계층 부호화부; 및 상기 G.711 부호화부의 출력 비트 스트림과 상기 향상 계층 부호화부의 출력 비트 스트림을 다중화하여 출력하는 다중화부;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 향상 계층 복호화 방법의 일 실시예는, 프레임의 각 샘플의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 계산하는 단계; 현 지수 인덱스를 포함하는 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수와 같을 때까지 반복 수행하며, 상기 현 지수 인덱스를 최대값부터 상기 반복 수행시마다 1씩 작아지도록 설정하는 비트 할당 단계; 및 향상 비트 스트림에서 상기 각 샘플에 할당된 비트 수만큼 추출하여 복호화하는 단계;를 포함한 다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 향상 계층 복호화기의 일 실시예는, 프레임의 각 샘플의 지수 정보로부터 얻어진 추가 가수 정보의 인덱스들 및 상기 각 샘플의 인덱스를 배열로 표현한 지수 맵을 생성하는 지수 맵 생성부; 상기 지수 맵을 참조하여, 상기 추가 가수 정보의 지수 인덱스의 크기 순으로 각 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 상기 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수가 될 때까지 수행하여, 상기 각 샘플당 할당된 비트수를 나타내는 비트할당 테이블을 생성하는 비트 할당 테이블 생성부; 및 상기 비트할당 테이블을 참조하여, 향상 비트 스트림 중 상기 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 비트들을 추출하여 복호화하는 추가 가수 복호화부;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 복호화기의 일 실시예는, 수신 프레임을 G.711 비트 스트림과 향상 비트 스트림으로 역다중화하는 역다중화부; 상기 G.711 비트 스트림을 복호화하는 G.711 복호화부; 상기 G.711 복호화부를 통해 얻어진 각 샘플들의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플에 할당된 추가 가수 정보의 비트 수를 계산하고, 상기 향상 비트 스트림으로부터 상기 각 샘플에 할당된 추가 가수 정보의 비트 수만큼을 추출하여 복호화하는 향상 계층 복호화부; 및 상기 G.711 복호화부의 출력 신호와 상기 향상 계층 복호화부의 출력 신호를 합성하여 출력하는 신호 합성부;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 향상계층 부호화 방법의 일 실시예는, 신호 샘플을 지수 정보 및 가수 정보를 포함하도록 부호화하는 기본계층을 포함하는 계층적 부호화를 위한 향상계층의 부호화 방법에 있어서, 상기 가수 정보를 확장하기 위한 추가 가수 정보를 위한 비트를 할당하는 단계; 및 상기 할당된 비트의 크기에 따라 추가 가수 정보를 부호화하는 단계를 포함하되, 상기 비트할당 단계는 소정 구간 내에 존재하는 신호 샘플들의 지수 정보를 참조하여 적응적으로 수행된다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 향상계층 복호화 방법의 일 실시예는, 신호 샘플에 대한 지수 정보 및 가수 정보를 포함하는 기본계층신호 및 이에 대응하는 추가 가수 정보를 포함하는 향상계층신호를 포함하는 계층적 부호화 신호에서 향상계층신호를 복호화하기 위한 방법에 있어서, 상기 기본계층신호의 지수정보에 기초하여, 상기 추가 가수 정보를 나타내기 위해 각 신호 샘플마다 할당된 비트의 수를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 할당 비트의 수에 따라 상기 향상계층신호로부터 각 신호 샘플에 대응하는 비트 수만큼 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 종래 G.711 코덱과 같은 로그 PCM 코덱으로부터 얻어지는 지수 정보를 이용하여 각 샘플마다 동적으로 추가적인 비트를 할당함으로써, 종래 로그 PCM 코덱의 양자화 오류를 줄여 음질이 향상된다. 또한 종래 방식의 로그 PCM 코덱을 변경하지 아니하고 본 발명의 구성을 적용할 수 있으므로 기존 코덱을 채용한 망과의 호환성을 제공한다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 향상 계층 부호화/복호화 장치 및 그 방법과 본 발명에 따른 향상 계층 부호화/복호화가 적용된 부호화기 및 복호화기에 대해서 상세히 설명한다.

도 1은 G.711 코덱의 음질 향상을 위한 부호화기 및 복호화기의 일 예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 부호화기(100)는 입력버퍼(105), G.711 부호화부(110), 향상계층 부호화부(115) 및 다중화부(120)를 포함하고, 복호화기(150)는 역다중화부(155), G.711 복호화부(160), 향상계층 복호화부(165), 신호 합성부(170) 및 출력버퍼(175)를 포함한다. 부호화기(100)는 복호화기(150)는 통신 채널(140)을 통해 연결된다.

먼저, 부호화기(100)에 대해서 살펴본다.

입력버퍼(105)는 입력 신호를 블록 단위(이하, 프레임이라고 함)로 처리하기 위하여 입력 신호를 정해진 길이만큼 저장한다. 예를 들어, 8KHz 샘플링에서 5ms의 간격으로 입력신호를 처리하고자 하는 경우, 입력버퍼(105)는 40 샘플(=8KHz * 5ms)로 구성된 프레임을 저장한다. G.711 부호화부(110)는 종래 G.711 코덱에 따라 입력 버퍼(105)에 저장된 프레임을 부호화하여 생성한 비트 스트림을 출력한다. G.711 코덱은 ITU-T에서 정의된 표준 방식이므로 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 향상 계층 부호화부(115)는 G.711 부호화부(110)에 의해 표현되지 못하는 양자화 오류를 추가로 할당된 비트들을 이용하여 다시 양자화하여 출력한다. 다중화부(120)는 G.711 부호화부(110)에서 부호화되어 출력되는 비트 스트림(이하, G.711 비트 스트림)과 향상 계층 부호화부(115)에서 부호화되어 출력되는 비트 스트림(이하, 향상 비트 스트림)을 다중화한다. 다중화된 비트스트림은 임의의 통신 채널(140)을 통해 복호화기(150)로 전달된다.

다음으로, 복호화기(150)에 대해서 살펴본다.

역다중화부(155)는 통신 채널(140)을 통해 부호화기(100)로부터 수신한 비트 스트림을 G.711 비트 스트림과 향상 비트 스트림으로 역다중화한다. G.711 복호화부(160)는 G.711 코덱을 이용하여 G.711 비트 스트림을 복호화한다. 향상 계층 복호화부(165)는 향상 비트 스트림을 향상 계층 부호화부(115)와 대칭되는 방법을 통해 복호화한다. 신호 합성부(170)는 G.711 복호화부(160)에서 복호화되어 출력되는 신호(이하, G.711 복호화 신호)와 향상 계층 복호화부(165)에서 복호화되어 출력되는 신호(이하, 향상 계층 복호화 신호)를 더한다. 출력 버퍼(175)는 신호 합성부(170)에서 출력되는 복호화 신호를 저장하고, 저장된 신호를 프레임 단위로 출력한다.

도 2는 종래 G.711 코덱의 로그 PCM 코덱이 적용된 부호화기의 입력 및 출력 비트 스트림의 일 예를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 향상 계층 부호화 가 적용된 부호화기의 입력 및 출력 비트 스트림의 일 예를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래 G.711 코덱에 의한 부호화는 16 비트 샘플(200)을 입력받아 8비트 샘플(250)로 압축하여 출력한다. 출력되는 8비트 샘플(250)은 1 비트의 부호 정보(260), 3 비트의 지수 정보(270), 4 비트의 가수 정보(280)로 구성된다. 지수 정보(270)는 압신기(compander) 세그먼트를 가리키고, 가수 정보(280)는 지수 정보가 가리키는 세그먼트 내의 특정 위치를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 향상 계층 부호화가 적용되는 경우, 출력되는 8비트 샘플(350)은 도 2에 도시된 종래 G.711 코덱에 의한 8비트의 비트 스트림에 추가 가수 정보(390)를 나타내는 비트들을 더 포함한다. 추가 가수 정보(390)는 지수 정보(370)가 가리키는 세그먼트 내에서 원래 가수 정보(380)가 가리키는 위치를 더욱 세분화하여 G.711 코덱의 양자화 오차를 줄인다.

G.711 코덱에서 전송속도가 16Kbit/s이고 프레임의 크기가 5ms인 경우, 한 프레임 내에서 G.711 코덱에 의해 사용되는 비트들 이외에 가용한 총 비트 수는 80비트이다. 즉, 프레임이 총 40 샘플로 구성된 경우 각 샘플마다 2 비트씩 추가 비트의 할당이 가능하다. 입력 신호의 크기에 따라 G.711 코덱의 양자화 오류가 상이하므로, 각 샘플마다 동일한 비트 수의 추가 가수 정보를 할당하는 것보다 신호의 크기에 따라 각 샘플에게 추가 가수 정보의 비트 수를 유동적으로 할당하는 것이 바람직하다.

각 샘플에 3 비트의 추가 가수 정보를 할당하는 경우, 샘플에 할당된 총 비트 수는 120 비트(40 샘플 * 3 비트)이므로 프레임에서 가용한 총 비트 수인 80비 트를 초과하므로 각 샘플에 할당되는 추가 가수 정보의 비트 수를 줄여야 한다. 즉, 각 샘플의 지수 정보의 크기를 기초로 각 샘플에게 0~3 비트의 추가 가수 정보가 할당된다. 샘플에 추가 가능한 추가 가수 정보의 최대 비트 수는 실시 예에 따라 3비트 또는 그 이상 및 이하의 비트 수를 설정할 수 있음은 물론이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라, 입력 신호의 크기를 고려하여 프레임의 각 샘플에게 추가 가수 정보의 비트 수를 유동적으로 할당하기 위한 지수 맵(map)의 일 예를 도시한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 지수 맵은 각 샘플의 지수 정보로부터 얻어지는 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 행으로 설정하고, 각 샘플을 나타내는 샘플 인덱스를 열로 설정한 배열이다. 예를 들어, 40 샘플로 이루어진 프레임에서 각 샘플당 최대 3 비트의 추가 가수 정보가 할당되는 경우 지수 맵은 10×40 배열이 된다.

구체적으로, 각 샘플의 지수 인덱스는 그 샘플의 지수 정보의 크기에 비례하고 순차적이며, 추가 가수 정보의 비트 수와 동일한 개수의 값들로 구성된다. 즉, 지수 인덱스는 각 샘플의 지수 정보의 크기 값부터 1씩 증가하여 추가 지수 정보의 비트들에 할당되는 값이다. 예를 들어, 어떤 샘플의 지수 정보의 비트 열이 "000"이면, 그 샘플의 지수 인덱스는 0(지수 정보의 크기+0),1(지수 정보의 크기 +1),2(지수 정보의 크기+2)가 된다. 또 다른 예로서, 지수 정보의 크기가 7(비트열:111)이면, 지수 인덱스는 7(지수 정보의 크기+0),8(지수 정보의 크기+1),9(지수 정보의 크기+2)가 된다. 따라서, 각 샘플의 추가 지수 정보에 대한 지수 인덱스는 0~9 사이에 존재한다.

지수 맵의 각 원소는 0으로 초기화되며, 각 샘플의 지수 인덱스에 해당하는 위치의 원소는 그 샘플의 인덱스를 저장한다. 즉, (지수 인덱스, 샘플 인덱스)=샘플 인덱스이다. 예를 들어, 프레임의 두 번째 샘플의 지수 정보가 "011"이면, 그 샘플의 지수 인덱스는 3,4,5이므로, (3,1)=2, (4,1)=2, (5,1)=2의 값을 가지며 그 샘플에 해당하는 나머지 원소들은 초기화된 0의 값을 그대로 가진다.

이와 같은 방법으로 각 샘플의 지수 인덱스를 구한 후, 그 지수 인덱스에 해당하는 원소에 샘플 인덱스를 저장하여 지수 맵을 완성한다. 지수 맵을 기초로, 각 샘플당 할당되는 추가 비트의 수를 나타내는 비트할당 테이블을 생성한다. 즉, 지수 인덱스의 가장 큰 값(즉, 9)부터 지수 인덱스를 1씩 낮추어 가면서 그 지수 인덱스에 해당하는 샘플들에게 1비트씩 할당한다. 비트 할당 과정은 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 프레임 내 가용한 총 비트 수와 같을 때까지 수행한다. 비트할당 테이블의 생성에 대해서는 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4b를 참조하면, 지수 맵은 각 샘플의 지수 정보로부터 얻어지는 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 행으로 설정하고, 각 샘플에 할당된 동일 지수 인덱스들의 수를 열로 설정한 배열이다. 지수 맵의 각 원소는 각 샘플을 가리키는 샘플 인덱스를 포함한다.

예를 들어, 40 샘플로 이루어진 프레임에서 각 샘플당 최대 3비트의 추가 가수 정보가 할당되는 경우에, 40 샘플 모두가 동일한 지수 인덱스를 포함할 수 있으므로 지수 맵의 열의 개수는 40(0~39)개며, 지수 맵은 10×40 배열이 된다.

n 번째 샘플에 대한 지수 맵을 작성하는 방법을 살펴본다.

먼저, n 번째 샘플의 추가 가수 정보에 대한 지수 인덱스를 지수 정보의 크기를 기초로 구한다. 즉, n 번째 샘플의 지수 인덱스= 지수 정보의 크기 + j (j=0,1,2)이다.

n 번째 샘플에 대한 3개의 지수 인덱스가 구해지면, 구해진 지수인덱스와 현재까지 그 지수 인덱스를 가지는 샘플들의 수를 각각 행렬로 하는 지수 맵의 해당위치의 원소에 n 번째 샘플의 인덱스를 저장한다. 즉, (지수 인덱스, 그 지수 인덱스를 가지는 샘플들의 수)=n 번째 샘플의 인덱스이다. 그리고 그 지수 인덱스를 가지는 샘플들의 수를 1 증가시킨다.

예를 들어, 프레임의 0번째 샘플의 지수 정보가 "110"이면, 그 샘플의 지수 인덱스는 6,7,8이므로, (6,0)=0, (7,0)=0, (8,0)=0이 되고, 지수 인덱스 6,7,8을 가지는 샘플들의 수는 각각 1,1,1이 된다. 다음으로 프레임의 1번째 샘플의 지수 정보가 "100"이면, 그 샘플의 지수 인덱스는 4,5,6이므로, (4,0)=1, (5,0)=1, (6,1)=1이 된다. (6,1)=1이 된 이유는 지수 인덱스 6이 할당된 샘플의 수가 이전에 벌써 1이기 때문이다. 따라서, 현재까지 지수 인덱스 4,5,6,7,8에 할당된 샘플들의 수는 각각 1,1,2,1,1이 된다. 이와 같은 방식으로 모든 샘플들에 대한 지수 맵을 완성하면, 각 지수 인덱스에 해당하는 샘플들의 개수 및 샘플들의 인덱스 정보를 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 비트할당 테이블의 생성 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 향상 계층 부호화기는, 각 샘플당 최대 추 가 가능 비트 수가 3비트이고 프레임당 총 가용 비트 수가 80비트라고 가정할 때, 각 샘플의 지수 정보를 기초로 각 샘플당 0~3비트 크기의 추가 가수 정보를 출력한다.

구체적으로, 향상 계층 부호화기는 비트할당 테이블의 모든 원소를 0으로 초기화하고, 현 프레임에서 가용한 총 비트수를 설정하고, 지수 인덱스의 최대 값을 현 지수 인덱스로 설정한다(S500). 도 4에 도시된 지수 맵을 참조하여, 향상 계층 부호화기는 각 지수 인덱스의 행에 존재하는 샘플들의 수를 계산한다(S510). 예를 들어, 도 4에 도시된 지수 맵에서 지수 인덱스 8에 해당하는 샘플은 두 개(샘플 인덱스:0,39)가 존재한다.

향상 계층 부호화기는 현 지수 인덱스의 행에 존재하는 샘플들의 수와 현재 프레임에서 가용한 비트 수를 비교하여 작은 수를 이용가능한 비트 수로 설정하고(S520), 이용가능한 비트 수만큼 현 지수 인덱스의 행에 존재하는 각 샘플들에게 1비트씩 할당한다(S530). 그리고 향상 계층 부호화기는 현 가용 비트수에서 이용가능한 비트 수를 차감한 값을 새로운 가용 비트수로 설정한다(S540).

향상 계층 부호화기는 새롭게 설정된 가용 비트수가 0이면 종료하고(S550), 0이 아니면 현 지수 인덱스에서 1 차감한 값을 새로운 지수 인덱스로 설정한 후(S560), 단계 520부터 다시 시작한다.

도 6은 본 발명에 따른 향상 계층 부호화기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 향상 계층 부호화기는 지수 맵 생성부(600), 비트할당 테 이블 생성부(610) 및 비트 출력부(620)를 포함한다. 향상 계층 부호화기는 도 1에 도시된 향상 계층 부호화부(115)에 대응된다.

지수 맵 생성부(600)는 각 샘플의 지수 정보의 크기를 기초로 각 샘플당 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 구한 후, 각 샘플당 지수 인덱스를 나타내는 지수 맵을 생성한다. 각 샘플의 지수 정보는 도 1에서 도시된 G.711 부호화부(110)를 통해 알 수 있다. 지수 맵은 도 4에 도시되어 있으므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.

비트할당 테이블 생성부(610)는 지수 맵을 참조하여, 지수 인덱스의 최대값부터 낮은 값으로 순차적으로 각 지수 인덱스를 포함하는 샘플들을 찾은 다음 그 샘플들에게 1비트씩 할당한다. 이러한 할당 과정이 완료되면, 각 샘플당 할당된 비트 수를 나타내는 비트할당 테이블을 생성한다. 비트할당 테이블의 생성방법은 도 5를 참조한다.

비트 출력부(620)는 비트할당 테이블을 이용하여 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 각 샘플에 할당된 비트 수만큼의 최상위 비트들을 출력한다. 즉 비트 출력부는 [각 샘플의 추가 가수 정보]/2^[추가 가수 정보의 비트 수 - 각 샘플에 할당된 비트 수]의 값을 출력한다.

도 7은 본 발명에 따른 향상 계층 복호화기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 향상 계층 복호화기는 지수 맵 생성부(700), 비트할당 테이블 생성부(710) 및 추가 가수 복호화부(720)를 포함한다. 지수 맵 생성부(700) 및 비트할당 테이블(710)은 도 6에 도시된 지수 맵 생성부(600) 및 비트할당 테이블 생성부(610)와 동일하므로 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

추가 가수 복호화부(720)는 각 샘플당 할당되는 추가 가수 정보의 비트 수를 기초로 향상 비트 스트림에서 각 샘플의 추가 가수 정보를 추출하여 복호화한다.

도 8은 본 발명에 따른 향상 계층 부호화기의 다른 실시예의 구성을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 향상 계층 부호화기는 추가 가수 추출부(800), 비트 할당부(810) 및 비트 출력부(820)로 구성된다.

추가 가수 추출부(800)는 입력 프레임에 대한 G.711 부호화에 의해 얻어지는 지수 정보를 기초로 입력 프레임으로부터 추가 가수 정보를 추출한다. 즉, 추가 가수 추출부(800)는 입력 프레임에 대한 G.711 부호화로부터 얻어진 지수 정보를 기초로, 입력 프레임에서 가수 정보가 되는 영역(3 비트의 가수 정보) 이후의 영역을 추가 가수 정보로 추출한다. 입력 프레임에서 가수 정보까지의 부분을 제외한 나머지 모든 비트가 추가 가수 정보가 될 수 있으나, 본 실시예에서는 추가 가수 정보의 최대 크기를 3 비트로 가정한다. 이 경우 추가 가수 추출부의 동작 과정에 대한 유사 소스 코드는 다음 표와 같이 표현될 수 있다.

for(i=0; i<L; i++) { ext_bits[i]=exp[i]+3; ext_mantissa[i]=x[i] & (2ext _ bits [i]-1); }

여기서, L은 프레임의 샘플 수, exp[i]는 i 번째 샘플의 지수 정보, ext_bits[i]는 i 번째 샘플의 추가 가수 정보의 비트 수, ext_mantissa[i]는 i 번째 샘플의 추가 가수, x[i]는 i 번째 샘플 값이다. "&"는 각 비트별로 수행하는 논리 AND 동작(bitwise AND operation)을 의미한다.

예를 들어, 2진수로 표현된 입력 샘플 "0000 0001 1010 1001"을 G.711 A-law로 부호화하는 경우, 첫 번째 부호 비트를 제외하고 최초로 "1"의 값이 나타나는 비트 위치를 가리키는 지수 정보는 1, 가수 정보는 1010, 그리고 추가 가수 정보는 최대 3비트를 가정할 때 100이다.

비트 할당부(810)는 각 샘플의 지수 정보 및 가용한 총 비트수를 기초로 각 샘플에게 할당되는 실제 비트 수를 계산한다. 예를 들어, 향상 계층 부호화를 위해 16 Kbits/s가 할당되고 프레임 길이가 5ms인 경우, 프레임당 가용한 총 비트수는 80비트이다. 비트 할당부(810)는 지수 정보를 통해 결정되는 각 샘플의 추가 가수 정보의 중요도를 기반으로 각 샘플당 할당되는 추가 가수 정보의 비트 수를 동적으로 결정하며, 그 중요도는 매 프레임에서 양자화 오류를 최소화하는 것이다. 예를 들어, G.711 코덱에서 양자화 크기(quantizatin step)를 결정하는 각 샘플의 지수 정보로부터 중요도를 결정할 수 있다. 즉, 지수 값이 상대적으로 큰 경우(즉, 양자화 크기가 큰 경우)의 샘플은 양자화 오류가 크므로 가능한 한 많은 추가 비트를 할당하도록 중요도를 높이고, 지수 값이 상대적으로 작은 경우(즉, 양자화 크기가 적은 경우)는 샘플의 양자화 오류가 작으므로 적은 비트가 할당되도록 중요도를 낮춘다.

비트 출력부(820)는 비트 할당부(810)에 의해 각 샘플당 할당된 추가 비트 크기만큼의 추가 가수 정보를 출력한다. 비트 출력부의 동작 과정에 대한 유사 소스 코드는 다음 표와 같이 표현될 수 있다.

for(i=0; i<L; i++) { tx_bit_enh[i]=ext_mantissa[i]>>(ext_bits[i]-bit_alloc[i]); }

여기서, bit_alloc[i]는 i 번째 샘플에 할당된 비트 수, tx_bit_enh[i]는 i번째 샘플의 부호화된 향상 비트스트림이다. x>>a"는 x를 a 비트만틈 오른쪽으로 이동시키는 동작을 의미한다.

예를 들어, 추가 가수 정보가 "100", 할당된 비트 수가 2이면, 비트 출력부는 부호화된 향상 비트 스트림으로 "10"을 출력한다.

본 실시예에서는 각 샘플당 추가 지수 정보의 최대 비트수를 추출한 후 추출된 추가 지수 정보의 비트들 중 각 샘플당 할당된 비트 수만큼만 출력하는 구성을 개시하였으나, 순서를 바꾸어 먼저 각 샘플당 할당되는 비트 수를 먼저 구한 후 그 비트 수만큼만 각 샘플당 추가 할당 정보를 추출하는 것도 가능하다.

도 9는 본 발명에 따른 향상 계층 부호화 방법의 일 실시예의 흐름을 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 향상 계층 부호화기는 입력 프레임의 G.711 코덱을 이용한 부호화에서 파악된 지수 정보를 기초로 입력 프레임으로부터 추가 가수 정보의 영역을 추출한다(S900). 추가 가수 정보의 영역은 입력 프레임에서 가수 영역까지의 부분을 제외한 나머지 전 부분이 될 수 있으나, 본 실시예에서는 추가 가수 정보의 최대 크기를 3비트로 가정한다. 따라서 향상 계층 부호화기는 3 비트의 추가 가수 정보만을 추출한다.

향상 계층 부호화기는 G.711 부호화를 통해 얻어진 지수 정수를 이용하여 각 샘플당 추가 가수 정보를 위해 추가 가능한 비트 수를 결정한다(S910). 구체적으로 향상 계층 부호화기는 각 샘플의 추가 가수 정보의 3 비트 각각에 대한 중요도를 그 샘플의 지수 정보의 크기에 비례하는 값으로 설정한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 지수 인덱스를 중요도로 이용할 수 있다. 향상 계층 부호화기는 프레임의 샘플들 중에서 가장 큰 중요도를 갖는 샘플들부터 1비트씩 할당하여, 할당된 총 비트 수가 프레임 내 가용한 총 비트수와 같을 때까지 비트 할당을 수행한다.

이러한 과정을 통해 각 샘플당 할당된 비트 수를 구한 후, 향상 계층 부호화기는 처음 추출한 추가 가수 정보의 비트들 중에서 각 샘플당 할당된 비트 수만큼의 최상위 비트들을 출력한다(S920).

도 10은 본 발명에 따른 향상 계층 복호화기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 향상 계층 복호화기는 복호화 비트 할당부(1000), 추가 가수 복호화부(1010) 및 향상신호 합성부(102)를 포함한다.

복호화 비트 할당부(1000)는 G.711 복호화를 통해 얻어진 지수 정보 및 프레임 내 가용한 총 비트 수를 이용하여 각 샘플당 추가 가수 정보의 비트 수를 구한다. 복호화 비트 할당부(1000)는 도 7에 도시된 비트 할당부와 동작 과정이 동일하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.

추가 가수 복호화부(1010)는 복호화 비트 할당부(1000)에 의해 파악된 추가 가수 정보의 비트 크기와 지수 정보를 기초로, 향상 비트 스트림으로부터 추가 가수 정보를 복원한다. 즉, 추가 가수 복호화부(1010)는 향상 비트 스트림에서 각 샘플에 할당된 추가 비트 수만큼의 비트들을 추출하여 추가 가수 정보를 복원한다. 추가 가수 정보의 최대 비트수가 3인 경우, 추가 가수 복호화부의 동작 과정은 아래 표의 유사 코드와 같이 표현될 수 있다. 즉, 추가 가수 복호화부는 각 샘플의 지수 정보에 의해서 결정된 최대 추가 가능한 가수 비트 수와 각 샘플에 할당된 추가 비트 수의 차만큼을 0 비트로 채운다.

for(i=0; i<L; i++) { ext_mantissa[i]=rx_bits_enh[i]<<(exp[i]+3 - bit_alloc[i]); }

여기서, rx_bit_enh[i]는 수신된 i번째 향상 비트 스트림이다.

향상 신호 합성부(1020)는 복원된 추가 가수 정보와 G.711 복호화로부터 얻어진 부호 정보를 이용하여 향상 신호를 복원한다. 향상 신호 합성부의 동작 과정은 아래 표의 유사 코드와 같이 표현될 수 있다. 즉, 부호 정보가 음수를 가리키면 복원된 추가 가수 정보에 음수를 취하고 음수가 아니면 그대로 출력한다.

for(i=0; i<L; i++) { if(sign[i]=음수) sig_enh[i]=-sig_enh[i]; }

여기서, sign[i]는 i 번째 샘플에 대한 부호 정보로 G.711 복호화로부터 참조된다.

도 11은 본 발명에 따른 향상 계층 복호화 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

도 11을 참조하면, 향상 계층 복호화기는 G.711 복호화부를 통해 얻어진 샘플의 지수 정보 및 프레임 내 가용한 최대 비트 수를 기초로 각 샘플당 할당된 추가 비트 수를 구한다(S1100). 그리고 향상 계층 복호화기는 각 샘플당 할당된 추가 비트 수를 향상 비트 스트림으로부터 추출하고(S1110), 추가 가수 정보를 복원한다(S1120).

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)에 의한 표시의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 G.711 코덱의 음질 향상을 위한 부호화기 및 복호화기의 일 예를 도시한 도면,

도 2는 종래 G.711 코덱의 로그 PCM 코덱이 적용된 부호화기의 입력 및 출력 비트 스트림의 일 예를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 향상 계층 부호화가 적용된 부호화기의 입력 및 출력 비트 스트림의 일 예를 도시한 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라, 입력 신호의 크기를 고려하여 프레임의 각 샘플에게 추가 가수 정보의 비트 수를 유동적으로 할당하기 위한 지수 맵(map)의 일 예를 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 비트할당 테이블의 생성 방법의 일 예를 도시한 흐름도,

도 6은 본 발명에 따른 향상 계층 부호화기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 향상 계층 복호화기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 향상 계층 부호화기의 다른 실시예의 구성을 도시한 도면,

도 9는 본 발명에 따른 향상 계층 부호화 방법의 일 실시예의 흐름을 도시한 도면,

도 10은 본 발명에 따른 향상 계층 복호화기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면, 그리고,

도 11은 본 발명에 따른 향상 계층 복호화 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

Claims (33)

1. 프레임의 각 샘플의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 계산하는 단계;

   현 지수 인덱스를 포함하는 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수와 같을 때까지 반복 수행하며, 상기 현 지수 인덱스를 최대값부터 상기 반복 수행시마다 1씩 작아지도록 설정하는 비트 할당 단계; 및

   상기 프레임의 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 상기 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 최상위 비트들을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상계층 부호화 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 지수 인덱스 계산 단계는,

   상기 각 샘플의 지수 정보의 크기에 비례하고, 상기 추가 가수 정보의 비트 수와 동일한 개수의 값들을 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 지수 인덱스들로 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상계층 부호화 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 지수 인덱스 계산 단계는,

   상기 지수 정보의 크기부터 1씩 증가한 값들을 상기 추가 가수 정보의 인덱스들로 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 비트 할당 단계는,

   지수 인덱스의 최대값을 상기 현 지수 인덱스로 설정하는 단계;

   상기 현 지수 인덱스를 포함하는 샘플들의 수와 상기 프레임의 가용 비트 수를 비교하여 작은 값을 이용 가능 비트 수로 설정하는 단계;

   상기 이용 가능 비트 수 내에서 순차적으로 상기 현 지수 인덱스를 포함하는 샘플들에게 1비트씩 할당하는 단계;

   상기 가용 비트 수에서 상기 이용 가능 비트 수를 뺀 값을 새로운 가용 비트 수로 설정하는 단계; 및

   상기 새로운 가용 비트 수가 0이 아니면, 상기 현 지수 인덱스의 값을 1 감소한 후 상기 이용 가능 비트 수를 설정하는 단계로 이동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 추가 가수 정보의 비트 수는 3비트인 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 지수 정보는 G.711 코덱의 부호화를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화 방법.
7. 프레임의 각 샘플의 지수 정보로부터 얻어진 추가 가수 정보의 지수 인덱스 및 상기 각 샘플의 인덱스를 배열로 표현한 지수 맵을 생성하는 지수 맵 생성부;

   상기 지수 맵을 참조하여, 상기 추가 가수 정보의 지수 인덱스의 크기 순으로 각 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수가 될 때까지 수행하여, 각 샘플당 할당된 비트수를 나타내는 비트할당 테이블을 생성하는 비트 할당 테이블 생성부; 및

   상기 비트할당 테이블을 참조하여, 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 상기 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 최상위 비트들을 출력하는 비트 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
8. 제 7항에 있어서, 상기 지수 맵 생성부는,

   상기 각 샘플의 지수 정보의 크기에 비례하고, 상기 추가 가수 정보의 비트 수와 동일한 개수의 값들을 상기 추가 가수 정보의 지수 인덱스들로 설정하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
9. 제 8항에 있어서, 상기 지수 맵 생성부는,

   상기 지수 정보의 크기부터 1씩 증가한 값들을 상기 추가 가수 정보의 지수 인덱스들로 설정하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
10. 제 7항에 있어서, 상기 비트할당 테이블 생성부는,

    상기 프레임에서 가용한 총 비트 수와 현재까지 상기 샘플들에게 할당된 총 비트수의 차가 현재 할당 과정을 수행하는 행에 존재하는 샘플들의 개수보다 작은 경우, 상기 차에 해당하는 비트 수만큼만 상기 현재 할당 과정을 수행하는 행에 존재하는 샘플들에게 할당하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
11. 제 7항에 있어서, 상기 비트 출력부는,

    [상기 각 샘플의 추가 가수 정보]/2^[추가 가수 정보의 비트 수 - 상기 각 샘플에 할당된 비트 수]의 결과 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 추가 가수 정보는 3 비트로 구성된 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
13. 제 7항에 있어서,

    상기 지수 정보는 G.711 코덱 부호화를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 향상 계층 부호화기.
14. 입력 프레임을 부호화하는 G.711 부호화부;

    상기 G.711 부호화부를 통해 얻어진 상기 입력 프레임의 각 샘플들의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플에 추가되는 추가 가수 정보의 비트 수를 유동적으로 할당하는 향상 계층 부호화부; 및

    상기 G.711 부호화부의 출력 비트 스트림과 상기 향상 계층 부호화부의 출력 비트 스트림을 다중화하여 출력하는 다중화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화기.
15. 제 14항에 있어서, 상기 향상 계층 부호화부는,

    상기 각 샘플의 지수 정보를 기초로 상기 각 샘플의 추가 가수 정보의 지수 인덱스들을 계산한 후, 현 지수 인덱스를 포함하는 샘플들에게 1비트씩 할당하는 과정을, 샘플들에게 할당된 총 비트 수가 상기 프레임에서 가용한 총 비트 수와 같을 때까지 반복 수행하여 얻은 결과를 기초로, 상기 프레임의 각 샘플의 추가 가수 정보의 비트들 중 상기 각 샘플에 할당된 비트 수에 해당하는 최상위 비트들을 출력하며, 상기 현 지수 인덱스를 최대값부터 상기 반복 수행시마다 1씩 작아지도록 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화기.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 삭제
32. 삭제
33. 삭제

Images