KR910005908B1 - 오디오 신호의 전송방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

오디오 신호의 전송방법
제1도는 정현파신호와 시간창을 표시하는 도면.
제2도는 시간창에 의하여 절취된 정현파신호의 주파수 스펙트럼을 표시하는 도면.
제3도는 본 발명에 의한 방법의 시간적 과정을 표시하는 도면.
제4도는 A∼E는 특별한 신호내용에 대하여 행하여지는 전처리 방법을 보여주는 도면.
제5도는 전처리단의 블록 회로도.
제6도는 주파수 스펙트럼과 한계치의 관계를 표시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
13 : 전처리단 30 : 검사블록
31 : 고역필터 32 : 신장기
33 : 변환스위치 36 : 지연소자
본 발명은 아날로그신호를 디지털신호로 변환시켜 디지털로 전송하고 재생시 다시 아날로그신호로 변환시키는, 오디오신호의 전송방법에 관한 것이다.
실제로, 협대역 채널을 사용하기 위해서 또는 기존채널에 가급적 많은 오디오신호를 동시에 전송하기 위해서는 전송에 필요한 대역폭이 가급적 작아야 한다. 디지털신호의 전송에 있어 대역폭의 축소는 표본화치당 비트수의 감소에 의해 이루어지는데 이것은 일반적으로 재생의 질을 저하시킨다.
재생의 질을 현저히 저하시키지 않으면서 표본화치당 평균 비트율을 감소시키기 위해, 전송전에 신호를 단시간 스팩트럼을 표시하는 신호로 변환시키고, 전송해야 할 디지털신호의 코딩시 심리음향적 법칙을 기초로 상기 신호성분 중 중요치 않은 성분, 즉 청취자에게 감지되지 않는 성분을 보다 적게 웨이팅하거나 완전히 제거하는 것이 독일출원제 P3506912호에 발표되어 있다.
본 발명의 목적은 주파수 스펙트럼값의 웨이팅 방법을 개선하고, 갑작스런 음향현상을 보다 양호하게 검출하며, 신호전송에 심리음향적 법칙을 보다 유효하게 활용하는데 있다.
하나의 주파수군에서 한계치 이하의 값은 영으로 간주된다. 상기 한계치는 주파수 군의 최대치 이하의 -30dB에서 고정적인 위치를 취하지 않고 -50dB까지 적응적으로 시프트할 수 있어야 한다. 이와 같은 한계치의 시프트는 주파수 스펙트럼값의 파형에 현저한 피크치가 존재하는 경우에 필요하다. 왜냐하면 이 경우 넓은 음량변위에 걸쳐서 스팩트럼값에 명백한 선형 의존성이 보여지기 때문이다. 이 값을 영으로 설정하면, 상기 의존성으로 인해 변환 및 역변환후 시간신호에 변조장애가 생긴다. 이 장애는 감지되기 쉽다.
이와 같은 상태를 검출하기 위한 식별 기준은 하나의 주파수군의 피크치와 평균치의 관계이다.
신호파형의 급상승(점프)이 생기고 있는가의 여부를 분석하기 위하여, 서브블록(예컨대 64값)안에서 신호의 에너지를 검출한다. 상기 신호는 고역필터를 통과한 후 공급된다. 그로 인해 실제적인 급상승이 급격해짐으로써 보다 쉽게 검출될 수 있다.
급상승전의 강조(신장)는 종래와 같이 광대역에 걸쳐 이루어질 수도 있으나 주파수에 따라 선택적으로 강조(신장)시키면 보다 양호한 효과를 기대할 수 있다. 즉, 상기와 같은 강조를 에너지가 적은 스팩트럼 영역으로 제한하면, 단시간 스팩트럼의 파형을 크게 변경하지 않으면서 강조(신장)도를 높일 수가 있다.
모든 주파수군에 걸쳐서 가청 한계치가 설정되고, 이 한계치 이하의 스펙트럼값은 영으로 된다. 한계치는 최초의 23개의 주파수군에서는 수평으로 형성되며, 최후의 3개의 주파수군에서는 약 30dB 정도 상승한다. 상기 한계치는 전체적으로 시프트되지만, 그의 하부영역에서는 최대치에 대하여 일정한 간격(예컨대, 90dB)이 유지된다. 따라서 아래쪽으로 시프트할 경우, 한계치의 최저선이 정해짐으로써 무제한으로 적은 값으로 되는 일은 없다.
상기 한계치에 의해 한편으로는 절대 가청 한계치가 고려되고, 다른 한편으로는 주파수군 전체에 걸쳐서 마스킹 효과가 생긴다.
다음에, 도면을 참조하면서 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 정현파형 곡선(4)을 나타낸다. 이 곡선(4)에 대하여 2개의 시간창(t1), (t2)이 설정되어 있다. 시간창(t1)은 정현파의 0점(1)에서 시작하여 제2의 0점(2)에서 끝난다. 0점(1),(2)는, 시간 t를 표시하는 횡축과 정현파와의 교차점이다. 제2의 시간창(t2)는 정현파의 0점(1)에서 시작되지만, 0점 이외의 점(3)에서 끝난다.
시간신호를 단시간 스펙트럼을 표시하는 신호로 변환하면, 여러 가지 곡선이 주파수 스펙트럼으로서 얻어지게 된다. 제2도는 2개의 시간창(t1),(t2)에 의해서 절취된 정현파신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 시간창(t1)에서는 단지 하나의 주파수선(5)만이 나타난다. 시간창(t2)으로부터 절취된 정현파에서는 포락선(6)을 갖는 주파수 스펙트럼이 생긴다. 이 주파수 스펙트럼은 스펙트럼선(5)을 정점으로 하고, 다수의 주파수선(7)에 따라서 하강하는 파형을 이루고 있다. 도시한 주파수군에서 최대치 ymax이하 30dB의 음량범위 내의 값에 한정해서 전송하면, 스펙트럼값의 선형 의존성 때문에 변조장애가 생긴다. 이 장애는 감지되기 쉬우므로 음량범위를 50dB까지 적응적으로 확대한다. 이와 같은 상태를 검출하기 위한 식별 기준은 하나의 주파수군 내에서의 피크치와 평균치의 관계이다. 이 경우, 피크치와 평균치의 차를 형성하고 이 차에 계수(예컨대 3)을 곱한다. 그것으로부터 얻어진 적이 새로운 의량범위가 된다. 예컨대, 피크치가 60dB, 평균치가 45dB라고 하면, 차는 15dB이고 이것에 계수 3을 곱하면 새로운 음량범위는 45dB이 된다. 즉, -30dB 내지 -50dB 사이에서 적응적으로 조절된다. 주파수군의 음량을 결정하는 한계치를 설정하는 것과 병행해서, 주파수군의 최대치와 최소치와의 차가 30dB보다 적은 것이 확인되면, 새로운 음량범위는 상기 차와 같게 세트된다.
제3도의 아날로그신호 a(t)는, 회화, 음악 등의 오디오신호이다. 이 신호는 아날로그/디지털 변환기(11)에서 디지털 오디오신호로 변환된다. 윈도우화단(12)에서는, 시간 순차로 연속하고 또한 서로 겹치는 시간창을 설정하고, 이 시간창으로부터 전술한 신호를 잘라내서 소위 윈도우화 한다. 이때 신호는 약 20ms, 바람직하게는 23ms의 지속시간을 갖는, 시간순차로 연속된 블록으로 분할된다. 따라서, 각 블록의 신호는 그 이후 별개로 처리될 수 있다. 전처리단(13)에서는 신호의 전 처리가 행하여진다. 전 처리의 의미에 대해서는 후술한다. 단(14)에서는 각각의 시간창 또는 블록의 디지털신호가 주파수 스팩트럼으로 변환된다. 따라서 단(14)의 출력단자에는 하나의 블록의 지속시간 중에 다음과 같은 신호하나가 나타난다. 하나의 시간창 또는 블록의 지속기간 중의 전 주파수 대역에 걸친 오디오신호의 스펙트럼 성분을 표시하는 신호가 나타난다. 즉, 단(14)에서는 시간범위의 신호가 스팩트럼을 표시하는 주파수범위의 신호로 변환되는 것이다.
단(14)의 신호는 코더(15)로 전달된다. 코더(15)에서는 심리음향학적 관점에 따른 코딩이 행하여진다. 즉, 설혹 전송되더라도 마스킹 효과에 의하여 재생시에는 감지되지 않는 스팩트럼 성분을 코딩시 더 적게 웨이팅하든가 또는 완전히 제거한다. 단시간 스펙트럼의 이와 같은 처리는 예컨대, 컴퓨터에 의하여 행해질 수 있다.
전술한 바와 같이 코팅된 신호는 송신기(16)를 통하여 통신채널(17)로 보내진다. 평균 비트율을 감소시키면, 이 통신채널을 협대역으로 구성할 수 있다. 통신채널(17) 다음에는 수신기(18)가 설치되어 있으며, 이 수신기는 실질적으로 송신기의 역기능을 수행한다. 수신기(18)의 신호는 디코더(19)에 공급되고, 이 디코더는 코더(15)에 상응하게 신호를 디코딩한다. 단(20)에서는, 스팩트럼을 표시하는 주파수 범위의 신호가 시간범위의 디지털신호로 역변환된다. 적응화단(21)에서는 상기 신호로부터 하나로 종합되고 연속된 디지털신호가 합성되고, 또한 단(13)에서의 전 처리가 고려된다(적응화). 이어서, 신호는 디지털/아날로그 변환기(22)로 보내지며, 변환기(22)는 아날로그신호b(t)를 송출한다. 이 신호는 본래의 신호a(t)와는 일치하지 않는다. 왜냐하면 코더(15)에서의 코딩시 일부의 스팩트럼 성분을 다른 것보다 낮게 웨이팅하거나 혹은 억압하였기 때문이다. 그러나 아날로그신호b(t) 와 a(t)의 차이는 극히 근소하므로 재생시 청취자에게 감지되는 일은 없다. 결과적으로, 신호중에 중요하지 않은 요소, 즉 청취자에게 가청되지 않는 정보를 제거함으로써 통신채널(17)을 통한 전송에 필요한 비트율을 감소시킨다. 특히, 선택정보량이 작아지게 된다.
전 처리의 유무에 관한 정보가 전처리단(13)으로부터 신호통로(23)를 통하여 송신기(16)로 보내진다. 전처리가 행하여지고 있으면, 코딩된 신호에 부가정보가 삽입되거나 다중화된다. 이 사실은 수신기(18)에 의해 검출되고, 신호통로(24)를 통하여 적응화단(21)으로 전해진다. 표본화 정리를 충족시키기 위하여, 아날로그/디지털 변환기(11)의 앞에는 저역필터가 설치된다. 디지털/아날로그 변환기(22)의 뒤에는, 재구성 저역필터로서 제2의 저역필터가 배치된다.
제4도는 시간창(t1)-(t7)중의 시점(t9)에서 돌연히 발생하는 음향현상(29)을 어떻게 전처리하는가에 대하여 표시하고 있다. 이와 같은 음향현상은 예컨대 트라이앵글을 두들겼을 때에 생긴다. 후술할 전처리는 제3도의 전처리단(13)에서 행하여진다. 제4도 A에 나타나 있는 바와 같이, 음향현상(29)에 선행하여 시점(t8)-(t9)에서 사전진동이 발생하고 있지만, 이것은 전 마스킹에 의하여 가청되지 않는다. 제3도의 단(14)에서 시간범위의 신호를 주파수 스팩트럼으로 변환할 때 시간창(t1)-(t7)에서의 스펙트럼 분포를 나타내는 주파수 범위의 신호가 발생한다. 이 신호에서는 시간창내의 개개의 시점과 스펙트럼선과의 사이에 대응관계가 없으므로, 음향현상(29)은 시간창(t1)-(t7) 전체에 걸쳐 평균화하게 된다. 바꾸어 말하면, 음향 현상(29)은 시간창 전체에 뻗친다. 그 결과, 가청장애가 생길 가능성도 있다.
상기 장애를 방지하기 위하여, 제4도 B에 표시되어 있는 바와 같이, 하나의 시간창(t1)-(t7) 또는 블록을 32개의 서브블록으로 분할한다. 제4도 C에 표시되어 있는 바와 같이 각 서브블록의 진폭을 검출한다. 음향현상(29)에 의하여, 2개의 서브블록 사이의 진폭변동이 일정한 한계치(20dB)를 초과하면, 다음과 같은 조치가 강구된다. 즉, 진폭이 급상승하기 전에 신호의 진폭을 압신방식에 의하여 송신측에서는 신장하도록 하고, 수신측에서는 압축하는 것이다. 그 결과, 단시간의 음향현상이 시간창 전체에 걸쳐 평균화됨으로써 생기는 전술한 장애가 감소한다. 제4도 D,E는 압신 시스템의 작용을 표시하고 있다. 제4도 D에서는 전 처리단의 신장기에 의하여, 진폭 급상승전에 신호를 이득 V1(이 경우는 5)으로 증폭시킨다. 수신측에서는 제4도 E에서 보는 바와 같이, 같은 신호를 적응화단(21)의 압축기에 의하여 제2의 이득 V2(이 경우 1/5)으로 압축시킨다. 따라서, 신호에 대한 총이득 VGes는 1이다.
VGes=V1·V2=1
진폭 급상승후부터 다음 급상승이 생길때까지 신장기 및 압축이의 이득은 1이다. 이득이 1로부터 5로 이행하는 과정은 하나의 서브블록의 전체 또는 절반에 걸친 기간내에 직선 또는 곡선으로 나타난다. 이 경우 이행기간이 1 서브블록의 지속기간인 것이 유리한데, 그 이유는 인간 귀의 전 마스킹효과(1ms이하)를 이용할 수 있기 때문이다.
제5도에는 전처리단(13)이 도시되어 있다. 여기서 검사블록(30)은 2개의 서브블록의 사이에서 신호가 일정 한계치 이상 상승하였는가의 여부를 검사한다. 서브블록 사이에서의 신호상승이 일정 한계치 이하이면, 신호는 입력단자(35)로부터 직접 지연소자(36) 및 전환스위치(33)를 통해 출력단자(34)로 송출된다. 2개의 서브블록사이의 신호변동이 20dB이상이면, 입력단자(35)의 신호는 신장기(32) 및 전환스위치(33)를 통해 출력단자(34)로 전송된다. 고역필터(31)는 신호변동을 급격하게 함으로써 신호변동이 검사블록(30)에 의해 보다 잘 검출되게 한다. 진폭 급상승전에 신호의 진폭이 송신측 신장기(32)에 의하여 신장되고, 수신측에서는 상응하게 압축된다. 따라서 단시간의 음향현상이 시간창 전체에 걸쳐서 평균화되는 것으로 인한 장애가 저감된다. 검사블록(30)은, 입력단자(35)의 신호가 전환스위치(33)를 통하여 직접 출력단자(34)로 송출되는 경우에도 끊임없이 동작을 계속한다. 지연소자(36)는 신장기(32)와 검사블록(30)에 의하여 생기는 시간차를 보상한다. 검사블록(30)은, 진폭이 변동한 시점 또는 제한치를 초과한 시점을 신장기(32)에 통고한다. 따라서, 서브블록의 수에 관한 정보가 얻어진다. 신장기(32)는 적절한 이득을 독립적으로 계산한다.
제6도에는 횡축이 주파수 f, 종축이 레벨 A를 표시하는 좌표계에 주파수 스펙트럼의 특성곡선(41)이 도시되어 있다. 곡선(41)은 최대치 xmax를 가진다. 절대 최대치 xmax1은 0dB의 레벨에 상당한다. 컴퓨터에서 상기 0dB는 절대치 215에 상당하고, 이것은 부가적으로 이득 1024로 증폭된다. 따라서, 전체로는 절대치 225로 계산이 행하여진다. 이 값은 전압에 상응한다.
전체 주파수 특성곡선에 걸쳐 가청 한계치(42)가 설정되어 있다. 이 한계치 이하의 스펙트럼값은 제로로 간주된다. 즉, 전혀 고려되지 않는다. 한계치(42)는 최초의 23개의 주파수군에서는 횡축으로 평행하지만, 최후의 3개의 그룹에서는 30dB만큼 상승한다. 상승은 10kHz부터 이루어진다. 제1의 상승점(이하 골곡점이라 함)전이 한계치(42)와 (가변)최대치 xmax와의 간격은 항상 90dB이다. 즉, 한계치는 언제나 최대치 xmax 의존해서 결정된다. 한계치(42)는 최소치(43)(이하 하한치라 함)이하로 떨어지지 않는다. 하한치는 절대 최대치로부터 -128dB 아래 놓인다. 제1의 굴곡점이 10kHz, 제2의 굴곡점이 12kHz 이면 유리하다. 2개의 굴곡점 사이에서 한계치(42)는 10dB 상승한다. 제2의 굴곡점으로부터 즉, 12-22kHz의 범위에서 한계치는 90dB 상승한다. 주파수군과 주파수 스펙트럼의 분할에 대해서는, 예컨대, E, Zwicker 저, Psychoakustik(Springer 출판, Berlin Heidelberg Newyork 1982년)에 설명되어 있다.
본 발명의 전송방법에 따르면, 주파수 스펙트럼값의 웨이팅 방법이 개선되고, 갑자기 생기는 음향현상이 보다 잘 검출되며, 신호전송시에 심리음향학상의 법칙성을 보다 유효하게 활용할 수가 있다.

Claims (7)

  1. 아날로그신호가 디지털신호로 변환되어 디지털로 전송되고 다시 아날로그신호로 변환되며, 전체 주파수 대역이 다수의 주파수군으로 세분되고, 신호가 전송전에 단시간 스펙트럼을 나타내는 신호로 변환되며, 상기 신호의 성분은 전송될 신호의 코딩시 그 표시 정확도에 있어, 큰 스팩트럼값은 보다 높은 정확도로 표시되고 주파수내에서 상기 큰 스팩트럼값에 근접한 값 또는 작은 스팩트럼값은 보다 낮은 정확도로 표시되도록 상이하게 웨이팅되는 오디오신호의 전송방법에 있어서, 하나의 주파수군에서의 최대치 이하 -50dB까지 적응적으로 시프트되는 시프트가능한 한계치가 주파수 스팩트럼에 설정되고, 이 시프트 가능한 한계치 이하의 스팩트럼값은 보다 낮은 정확도로 표시되거나 0에 세트되고, 스펙트럼값의 주파수 선택성 강조가 이루어지고, 이주파수 선택성 강조는 에너지학적으로 보다 낮은 나타나는 스팩트럼 영역에 국한되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 오디오 신호의 전송방법.
  2. 제1항에 있어서, 한계치는 -30dB∼-50dB의 사이에서 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 신호는 시간 윈도우에 의해 블록으로 세분되며, 전처리단(13)에서, 검사블록(30)의 앞에 있는 고역필터(31)를 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 주파수 스펙트럼은 다수의 주파수군으로 세분되고, 모든 주파수군에는 가청 한계치(42,43)가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 가청 한계치(42)가 일정한 간격만큼 최대치(xmax)로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 가청 한계치(42)가 하한치(43)까지만 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 하한치(43)와 절대 최대치(xmax1)의 간격이 -128dB인 것을 특징으로 하는 방법.
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