RU1774499C - Device for encoding and decoding of audio signals - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к вычислительной технике и технике св зи. Его использование в цифровых системах записи,хранени , воспроизведени  и передачи звуковых сигналов позвол ет повысить пропускную способность устройства за счет повышени  эффективности кодировани  звуковых сигналов . Кодирующа  часть устройства содержит фильтр 1 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь 2, буферный блок 3 пам ти, блок 4 пр мого спектрального преобразовани , преобразователь 7 кода с поблочно- плавающей зап той и блок синхронизации. Благодар  введению матричного блока 5 пам ти, мультиплексора 6 и делител  8 частот в устройстве обеспечиваетс  передача кода пор дка не дл  одной выборки отсчетов, а дл  нескольких групп таких выборок. В декодирующей части (не показано) осуществл етс  обратное преобразование с мгновенным компан- дированием. 3 ил. Чм ЁThe invention relates to computing and communication technology. Its use in digital systems for recording, storing, reproducing and transmitting audio signals allows to increase the throughput of the device by increasing the encoding efficiency of audio signals. The encoding part of the device comprises a low-pass filter 1, an analog-to-digital converter 2, a buffer memory unit 3, a direct spectral conversion unit 4, a block-floating-point code converter 7, and a synchronization unit. Thanks to the introduction of the memory matrix block 5, multiplexer 6, and frequency divider 8, the device provides code transmission of the order not for one sample of samples, but for several groups of such samples. In the decoding part (not shown), the inverse transform is performed with instant companion. 3 ill. Ym yo

Description

Изобретение относитс  к вычислительной технике и технике св зи и может быть использовано в цифровых системах записи, хранени ,воспроизведени  и передачи звуковых сигналов.The invention relates to computer and communication technology and can be used in digital systems for recording, storing, reproducing and transmitting audio signals.

Цель изобретени  - повышение информативности устройства за счет повышени  эффективности кодировани  звукового сигнала .The purpose of the invention is to increase the information content of the device by increasing the encoding efficiency of the audio signal.

На фиг.1 и 2 изображены блок-схемы соответственно кодирующей и декодирующей частей устройства; на фиг.З приведены диаграммы заполнени  матричного запоминающего блока.Figures 1 and 2 show block diagrams of the coding and decoding parts of the device, respectively; Fig. 3 shows filling diagrams of a matrix storage unit.

Устройство состоит из кодирующей и декодирующей частей, соединенных каналом св зи. Кодирующа  часть содержит фильтр 1 нижних частот (ФНЧ), аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 2. буферный запоминающий блок 3, блок 4 пр мого спектрального преобразовани , матричный запоминающий блок 5, мультиплексор 6, преобразователь 7 кода с поблочно-плавающей зап той, делитель 8 частот и блок 9 синхронизации.The device consists of encoding and decoding parts connected by a communication channel. The coding part contains a low-pass filter (LPF), an analog-to-digital converter (ADC) 2. a buffer storage unit 3, a direct spectral conversion unit 4, a matrix storage unit 5, a multiplexer 6, a block-floating-point code converter 7, 8 frequency divider and block 9 synchronization.

Декодирующа  часть содержит (фиг.2) преобразователь 10 кода с мгновенным компандированием, демультиплексор 11,The decoding part comprises (Fig. 2) an instant compander code converter 10, a demultiplexer 11,

VIVI

SS

ю юyu

матричный запоминающий блок 12, блок 13 обратного спектрального преобразовани , цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, ФНЧ 15, делитель 16 частоты и блок 17 синхронизации.array storage unit 12, inverse spectral conversion unit 13, digital-to-analog converter (D / A) 13, low-pass filter 15, frequency divider 16 and synchronization unit 17.

В преобразователь 7 кода с поблочно- плавающей зап той объединены такие блоки прототипа второй запоминающий блок, детектор пор дка максимальной составл ющей , регистр кода пор дков, блок формировани  адреса считывани  мантиссы и формирователь потока пор дков,A block-floating-point code converter 7 combines such prototype blocks with a second storage unit, a maximum component order detector, an order code register, a mantissa read address generation unit, and an order flow generator;

Блок 9 синхронизации формирует на своих первом - седьмом выходах следующие сигналы Block 9 synchronization generates at its first - seventh outputs the following signals

-сигнал с частотой тд дискретизации импульсно-кодовой модул ции (ИКМ);- a signal with a frequency td of sampling of a pulse code modulation (PCM);

-сигнал тактовой частоты fT;- signal of clock frequency fT;

-сигнал с частотой fбл смены блоков;- a signal with a frequency fbl change of blocks;

-сигналы управлени  блоком формировани  адреса считывани  мантиссы в преобразователе 7 кода с частотами соответственно fence И fpaapl- control signals of the mantissa read address generation unit in the code converter 7 with frequencies respectively fence And fpaapl

-сигнал управлени  формирователем потока пор дков в преобразователе 7 кода с периодом Тпор;a control signal for the order flow former in the code converter 7 with a period of Torr;

-сигнал границ частотных групп ТГр. Частоты сигналов fen и ТГр дел тс  в М-signal of the boundaries of the TGr frequency groups. Signal frequencies fen and TGr div TC in M

раз (значение М по сн етс  ниже) делителем 8 частот.times (the value of M is explained below) by a frequency divider 8.

В преобразователь 10 кода с мгновенным компандированием объединены такие блоки прототипа блок формировани  адреса записи спектральных составл ющих, регистр кода пор дков и запоминающий блок.Such instant prototype code blocks 10 combine such prototype blocks, a unit for generating a recording address of spectral components, a code register of orders, and a storage unit.

Блок 17 синхронизации формирует на своих первом - шестом выходах следующие сигналы Тд, ft, бл, tcnoe, тразр, Тпор.Block 17 synchronization generates at its first to sixth outputs the following signals TD, ft, bl, tcnoe, trazr, Tpor.

Устройство работает следующим образом .The device operates as follows.

Входной аналоговый сигнал подаетс  на ФНЧ 1, который служит дл  устранени  спектральных составл ющих входного сигнала, лежащих выше частоты тд/2, т.е. выполн ет функцию так называемого ан- тиэлайзингового фильтра, и в АЦП 2 преобразуетс  в цифровой вид ИКМ, Далее выборки по N отсчетов сигнала ИШ накапливаютс  в буферном запоминающем блоке 3 и подвергаютс  спектральному преобразованию в блоке 4, например, дискретному косинусному преобразованию (ДКП). Вычисление ДКП обычно производитс  через вычисление дискретного преобразовани  Фурье, с которым ДКП имеет несложную аналитическую св зь.The input analog signal is supplied to the low-pass filter 1, which serves to eliminate the spectral components of the input signal lying above the frequency td / 2, i.e. performs the function of a so-called anti-aliasing filter, and in ADC 2 it is converted to a digital PCM. Then, samples of N samples of the IS signal are accumulated in the buffer storage unit 3 and subjected to spectral transformation in block 4, for example, discrete cosine transform (DCT). The calculation of DCT is usually done through the calculation of the discrete Fourier transform, with which DCT has a simple analytical connection.

После преобразовани  в частотную область выборки по N спектральных отсчетов записываетс  в строки матричного запоминающего блока 5, При этом в его столбцах оказываютс  записанными спектральные составл ющие с одинаковыми номерами в своих выборках, т.е. соответствующие одинаковым частотам и расположенные -в выборках , следующих по времени друг за другом (фиг.З).After conversion to the frequency domain, samples of N spectral samples are recorded in the rows of the matrix storage unit 5. In this case, the spectral components with the same numbers in their samples are recorded in its columns, i.e. corresponding to the same frequencies and located in samples following one after another in time (FIG. 3).

В прототипе 3 при кодировании выборки из N спектральных коэффициентов ДКПIn the prototype 3 when encoding a sample of N spectral coefficients of DCT

0 эти коэффициенты разбиваютс  на группы, соответствующие в теории воспри ти  звуковых сигналов частотным группам. Исследовани  показывают, что таких групп в полосе частот 20-16000 Гц 24. Кажда  така 0, these coefficients are divided into groups corresponding in the theory of perception of sound signals to frequency groups. Studies show that there are such groups in the frequency band 20–16000 Hz 24. Each such

5 группа представл етс  в коде с поблочно- плавающей зап той, причем пор док выбираетс  по максимальному коэффициенту в группе. Далее в канал св зи передаютс  усеченные мантиссы, разр дность которых5, the group is represented in a block-floating-point code, the order being selected by the maximum coefficient in the group. Then truncated mantissas are transmitted to the communication channel, the resolution of which

0 в зависимости от величины коэффициентов адаптивно мен етс  от выборки к выборке. В рассматриваемом устройстве в виде кода с поблочно-плавающей зап той представл ютс  коэффициенты, вход щие в со5 став частотной группы не одной, а сразу нескольких выборок, следующих по времени друг за другом. Такое кодирование приводит к более эффективному представлению звукового сигнала.0, depending on the magnitude of the coefficients, adaptively varies from sample to sample. In the device in question, in the form of a block-floating-point code, coefficients are presented that are part of the frequency group of not one, but several samples at once, following each other in time. Such coding leads to a more efficient presentation of the audio signal.

0 Если в прототипе 24 группы частот передаютс  дл  каждой выборки по N отсчетов , то в данном устройстве они передаютс  один раз дл  всей совокупности из М выборок ,0 If in the prototype 24 frequency groups are transmitted for each sample of N samples, then in this device they are transmitted once for the entire set of M samples,

5 Особенность работы преобразовател  7 кода состоит в том, что на его информационный вход подаютс  коэффициенты не одной, а нескольких выборок, т.е. вместо k-ro коэффициента на вход преобразовател  7 прихо0 д т через мультиплексор 6 М к-ых коэффициентов от М выборок, накопленных в блоке 5. При этом сигнал ТГр блока 9 синхронизации , формирующий границы частотных групп, делитс  с помощью делител  85 A feature of the operation of code converter 7 is that coefficients of not one but several samples are fed to its information input, i.e. instead of the k-ro coefficient, the input of the converter 7 is supplied through a multiplexer of 6 M k-th coefficients from M samples accumulated in block 5. In this case, the signal Tgr of the synchronization block 9, forming the boundaries of the frequency groups, is divided using a divider 8

5 частот в М раз.5 frequencies in M times.

Заполнение блока 5 по сн ет пор док расположени  коэффициентов от выборок . Верхний график временной диаграммы показывает сигналы наFilling block 5 reveals the order of the coefficients from the samples. The upper timeline graph shows the signals on

0 информационном входе преобразовател  7 кода, нижний - на синхронизирующем (шестом) его входе, определ ющем границы групп коэффициентов, представл емых с поблочно-плавающей зап той.0 to the information input of the code converter 7, the lower one is at its synchronizing (sixth) input, which defines the boundaries of the groups of coefficients represented with a block floating point.

5 Сформированный таким образом сигнал передаетс  через канал св зи в декодирующую часть.5 The signal thus formed is transmitted through the communication channel to the decoding part.

Сигнал из канала св зи поступает наThe signal from the communication channel is fed to

вход преобразовател  10 кода, в котором отthe input of the code converter 10, in which

вида с поблочно-плавающей зап той онkind of block-floating app he

приводитс  к виду с мгновенным командированием .reduced to instant travel.

Преобразователь 10 работает как такой же преобразователь в прототипе 3. Отличи  те же, что описаны дл  работы преобразовател  7 кода кодирующей части, а именно: на синхронизирующий (п тый) вход поступают сигналы, определ ющие границы групп, через делитель 16 частоты, т.е. в - М раз реже, и на выходе вместо одного k-ro коэффициента вырабатываетс  М k-ых коэффициентов дл  М выборок.The converter 10 works like the same converter in the prototype 3. The differences are the same as those described for the converter 7 of the code of the coding part, namely: the signals determining the boundaries of the groups are transmitted to the synchronizing (fifth) input via the frequency divider 16, i.e. e. - M times less often, and instead of one k-ro coefficient, M kth coefficients for M samples are generated.

После преобразовани  к виду с мгновенным компандированием коэффициенты записываютс  через демультиплексор 11 в матричный запоминающий блок 12 таким образом, что в строках оказываютс  записанными выборки по N отсчетов в том же пор дке, как они были записаны в блоке 5 кодирующей части.After conversion to an instant companding view, the coefficients are written via a demultiplexer 11 to the matrix storage unit 12 in such a way that the rows contain samples of N samples in the same order as they were recorded in the block 5 of the encoding part.

Далее над каждой строкой блока 12 производитс  обратное спектральное преобразование в блоке 13 и с помощью ЦАП 14 и ФНЧ 15 сигнал преобразуетс  из цифрового в аналоговый вид.Next, on each line of block 12, an inverse spectral conversion is performed in block 13 and, using the DAC 14 and the low-pass filter 15, the signal is converted from digital to analog.

В данном устройстве в дополнение к использованному в прототипе эффекту маскировки одновременно звучащих спектральных составл ющих удалось использовать еще одно свойство слухового воспри ти  звука - эффекту пост- и пред- маскировки сигналов, следующих по времени друг за другом. Эти эффекты заключаютс  в том, что большой по уровню сигнал маскирует слабые сигналы, следующие непосредственно до и после него. Полный временной интервал маскировки, по данным многочисленных исследований, около 200 мс. Исход  из этого, можно вычислить, сколько выборок М по N отсчетов можно совместно кодировать, чтобы эффекты маскировки по частоте и по времени нейтрализовали вносимые искажени  сигнала и делали их незаметными на слух.In this device, in addition to the masking effect of simultaneously sounding spectral components used in the prototype, it was possible to use another property of the auditory perception of sound - the effect of post- and pre-masking of signals that follow one after another in time. These effects are that a large level signal masks weak signals that follow immediately before and after it. The full masking time interval, according to numerous studies, is about 200 ms. Based on this, it is possible to calculate how many samples M by N samples can be coded together so that masking effects in frequency and time neutralize the introduced signal distortions and make them invisible to the ear.

Устройство наиболее эффективно при использовании в кодере преобразовател  кода, расходующего относительно большое количество разр дов на представление пор дка , например при хранении и передаче речевых сигналов, поскольку в таких системах не предъ вл ютс  требовани  к полному отсутствию искажений и, следовательно, малое количество разр дов расходуетс  на представление мантисс, но большое - на представление пор дков. Отсюда возрастает и степень повышени  эффективности кода .The device is most effective when using a code converter in the encoder that consumes a relatively large number of bits to represent the order, for example, when storing and transmitting speech signals, since in such systems there is no requirement for the complete absence of distortions and, therefore, a small number of bits expended on the representation of the mantissa, but much on representation of the orders. Hence, the degree of increasing the efficiency of the code increases.

Claims (1)

Формула изобретени The claims Устройство дл  кодировани  и декодировани  звуковых сигналов, содержащее вA device for encoding and decoding audio signals, comprising кодирующей части фильтр нижних частот, вход которого  вл етс  входом устройства, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразовател , выходы которого подключены к информационным входам буферного запоминающего блока, выходы которого соединены с информационными входами блока пр мого спектрального преобразовани , преоб- 0 разователь кода с поблочно-плавающей зап той, блок синхронизации, первый выход которого подключен к входу дискретизации аналого-цифрового преобразовател  и первым управл ющим входам буферного запоминающего блока, блока пр мого спектрального преобразовани  и преобразовател  кода с поблочно-плавающей зап той, второй и третий выходы блока синхронизации соединены с одноименными управл ющими входами буферного запоминающего блока и блока пр мого спектрального преобразовани , четвертый - шестой выходы блока синхронизации подключены соответственно к второму - четвертому управл ющим входам преобразовател  кода с поблочно-плавающей зап той, в декодирующей части - преобразователь кода с мгновенным компандированием,блок обратного спектрального преобразовани , выходы которого подключены к информационным входам цифроаналогового преобразовател , выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства, блок синхронизации, первый выход которогоof the coding part, a low-pass filter, the input of which is the input of the device, and the output is connected to the information input of the analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the information inputs of the buffer storage unit, the outputs of which are connected to the information inputs of the direct spectral conversion unit, the converter a block-floating-point code, a synchronization unit, the first output of which is connected to the sampling input of the analog-to-digital converter and the first control inputs of the buffer of the first memory block, direct spectral conversion unit and code converter with a block floating point, the second and third outputs of the synchronization block are connected to the same control inputs of the buffer memory and the direct spectral conversion block, the fourth and sixth outputs of the synchronization block are connected respectively to the second and fourth control inputs of the code converter with a block floating point; in the decoding part, a code converter with instant companion, a block about spectral conversion, the outputs of which are connected to the information inputs of a digital-to-analog converter, the output of which through a low-pass filter is connected to the output of the device, a synchronization unit, the first output of which подключен к входу дискретизации цифроаналогового преобразовател  и первому уп- равл ющему входу блока обратного спектрального преобразовани , второй выход блока синхронизации соединен с вторым управл ющим входом блока обратного спектрального преобразовани  и первым управл ющим входом преобразовател  кода с мгновенным компандированием, третий выход блока синхронизации подключенconnected to the digital input of the digital-analog converter and the first control input of the inverse spectral conversion unit, the second output of the synchronization unit is connected to the second control input of the inverse spectral conversion unit and the first control input of the code converter with instant companion, the third output of the synchronization unit is connected к третьему управл ющему входу блока обратного спектрального преобразовани , четвертый - шестой выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторым - четвертым управл ющими входамиto the third control input of the inverse spectral conversion unit, the fourth to sixth outputs of the synchronization unit are connected respectively to the second and fourth control inputs преобразовател  кода с мгновенным компандированием , выход преобразовател  кода с поблочно-плавающей зап той через канал св зи соединен с информационным входом преобразовател  кода с мгновенным компандированием, отличающее- с   тем, что, с целью повышени  информативности устройства за счет повышени  эф- фективности кодировани  звукового сигнала, в кодирующую часть матричный запоминающий блок, гчппексор и делитель частот, первый вход которого подключен к третьему выходу блока синхронизации , седьмой выход которого соединен с вторым входом делител  частот, первый и второй выходы которого подключены соот- ветственно к п тому и шестому управл ющим входам преобразовател  кода с поблочно-плавающей зап той, выходы блока пр мого спектрального преобразовани  соединены с информационными входами матричного запоминающего блока, первый управл ющий вход которого подключен к первому выходу блока синхронизации, выходы матричного запоминающего блока соединены с информационными входами мультиплексора, управл ющий вход которого объединен с вторым управл ющим входом матричного запоминающего блока и подключен к второму выходу блока синхронизации , выходы мультиплексора соедине- ны с информационными входамиcode converter with instant companding, the output of the code converter with a block floating point through a communication channel is connected to the information input of the code converter with instant companding, characterized in that, in order to increase the information content of the device by increasing the efficiency of encoding an audio signal , in the coding part, a matrix storage unit, hchppexor and frequency divider, the first input of which is connected to the third output of the synchronization unit, the seventh output of which is connected to the second the input of the frequency divider, the first and second outputs of which are connected respectively to the fifth and sixth control inputs of the code converter with a block floating point, the outputs of the direct spectral conversion block are connected to the information inputs of the matrix storage block, the first control input of which is connected to the first output of the synchronization unit, the outputs of the matrix storage unit are connected to the information inputs of the multiplexer, the control input of which is combined with the second control input of the mat storage unit and is connected to the second output of the synchronization unit, the outputs of the multiplexer are connected to information inputs преобразовател  кода с поблочно-плавающей зап той, в декодирующую часть введены матричный запоминающий блок, демультип- лексор и делитель частоты, вход которого подключен к третьему выходу блока синхронизации , выход делител  частоты соединен с п тым управл ющим входом преобразовател  кода с мгновенным компандировани- ем, выходы которого подключены к информационным входам демультиплексо- ра. управл ющий вход которого объединен с первым управл ющим входом матричного запоминающего блока и подключен к второму выходу блока синхронизации, выходы демультиплексора соединены с информационными входами матричного запоминающего блока, второй управл ющий вход и выходы которого подключены соответственно к первому выходу блока синхронизации и информационным входам блока обратного спектрального преобразовани .block-floating-point code converter, a matrix storage unit, a demultiplexer and a frequency divider, the input of which is connected to the third output of the synchronization block, are inserted into the decoding part, the output of the frequency divider is connected to the fifth control input of the instant converter whose outputs are connected to the information inputs of the demultiplexer. the control input of which is combined with the first control input of the matrix memory block and is connected to the second output of the synchronization block, the outputs of the demultiplexer are connected to the information inputs of the matrix memory block, the second control input and outputs of which are connected respectively to the first output of the synchronization block and information inputs of the reverse block spectral conversion. 1010 11eleven «а у“And ff 1В1B JJ ftft fjfj 1414 88 /г/ / g / 77 /7/ 7 ъ. - С АС АСЖЖА - N b. - WITH AC ASZHZHA - N лl AA Фиг,3FIG 3