NL8802769A

NL8802769A - Digital audio signal coder having predetermined format - allows transmission or recording of additional channels without increased bandwidth

Info

Publication number: NL8802769A
Application number: NL8802769A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1990-06-01

Abstract

The coder imposes an auxiliary signal on a digital audio signal having a predetermined format. The digital audio signal is divided into frequency sub-bands whose bandwidths correspond with those of the critical bandwidths of the human auditory system. The sub-bands are quantised and summed with samples of the auxiliary signal whose maximum amplitude is always smaller than a half quantisation step of the relevant sample of the main signal. The summed sub-bands are reconstructed into a signal covering the entire frequency band, converted into a digital signal having the prescribed format and transmitted or recorded. The coder can be employed in a device for recording a digital signal on a record carrier thus providing a copy inhibit code.

Description

N,V, Philips' Gloeilampenfabrieken “Coder om extra informatie op te nemen in een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat alsmede een decoder om deze extra informatie uit dit digitale signaal af te leiden".N, V, Philips' Incandescent light factories “Coder to record additional information in a digital audio signal of a predetermined format as well as a decoder to derive this additional information from this digital signal”.

De uitvinding heeft betrekking op een coder om extra informatie in de vorm van een hulpsignaai op te nemen in een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat, alsmede op een decoder om deze extra informatie uit dit digitale signaal af te leiden.The invention relates to a coder for recording additional information in the form of an auxiliary signal in a digital audio signal of a predetermined format, and to a decoder to derive this additional information from this digital signal.

Bij digitale geluidsoverdrachts- en registratiesystemen, zoals CD-spelers, toekomstige televisiesystemen, zoals D2MAC, etc. ligt het formaat, d.w.z. de bemonsterfrequentie en het aantal bits per monster, waarin het digitale geluidssignaal wordt geregistreerd of overgedragen meestal, b.v. in verband met internationale afspraken, tevoren vast. Soms bestaat echter de behoefte om meer informatie te registreren of over te dragen dan op grond van het beschikbare aantal kanalen mogelijk is. Zo kunnen op grond van internationale afspraken bij bepaalde toekomstige televisiesystemen slechts twee digitale audiokanalen van hoge kwaliteit, b.v. elk voor een 14 bits digitaal signaal beschikbaar zijn. Deze kanalen worden benut voor het overdragen van de audio-informatie voor resp. het linker en het rechter kanaal. De wens bestaat echter om ten behoeve van zgn. surround-sound ook informatie voor achterkanalen, b.v. een linker en rechter achterkanaal te kunnen overdragen. Ook in andere gevallen kan het zeer nuttig zijn als aan bestaande kanalen voor digitale signalen met een tevoren bepaald formaat extra informatie kan worden toegevoegd, zonder dat hiertoe het aantal kanalen dient te worden uitgebreid. Te denken valt hierbij aan het toevoegen van muzieksignalen die muziekinformatie zonder de zang bevatten, het zgn. Karaoke, zodat de gebruiker zelf de zang kan verzorgen; of het toevoegen van muzieksignalen waarin een bepaald instrument is weggelaten, zodat de gebruiker dit instrument bij de rest van de opname kan inspelen. Ook kan gedacht worden aan het toevoegen van extra informatie in de vorm van datasignalen, zoals b.v. voor teletekstinformatie.In digital sound transmission and recording systems, such as CD players, future television systems, such as D2MAC, etc., the format, i.e. the sampling frequency and the number of bits per sample, in which the digital audio signal is recorded or transmitted is usually, e.g. due to international agreements, fixed in advance. Sometimes, however, there is a need to record or transfer more information than is possible based on the number of channels available. For example, under international agreements with certain future television systems, only two high-quality digital audio channels, e.g. each available for a 14 bit digital signal. These channels are used to transfer the audio information for resp. the left and right channels. However, it is desirable to provide information for rear channels, for example for surround sound, e.g. transfer a left and right back channel. In other cases it can also be very useful if additional information can be added to existing channels for digital signals of a predetermined format without the need to increase the number of channels. This could include adding music signals that contain music information without the vocals, the so-called Karaoke, so that the user can take care of the vocals himself; or adding music signals in which a particular instrument is omitted so that the user can play this instrument for the rest of the recording. It is also possible to think of adding extra information in the form of data signals, such as e.g. for teletext information.

Het zal duidelijk zijn dat het in al deze gevallen gewenst is dat het stelsel compatibel is met bestaande systemen, d.w.z. dat met apparatuur die niet is voorzien van een specifieke decoder om de extra informatie aan het signaal te onttrekken, de oorspronkelijke signaalinformatie ongestoord moet kunnen worden weergegeven. Zo dient b.v. bij een televisiesignaal met surround-sound informatie, in een niet voor surround-sound geschikt televisietoestel de informatie voor het linker en rechter kanaal te kunnen worden weergegeven zonder dat dit op enigerlei wijze hoorbaar door de "verborgen" informatie voor het afleiden van het signaal van de achterkanalen gestoord wordt.It will be clear that in all these cases it is desirable for the system to be compatible with existing systems, ie with equipment that does not have a specific decoder to extract the additional information from the signal, the original signal information should be undisturbed displayed. For example, e.g. for a television signal with surround sound information, in a non-surround sound television set the information for the left and right channels can be displayed without this being audible in any way by the "hidden" information for deriving the signal from the rear channels are disturbed.

De uitvinding beoogt te voorzien in een stelsel dat deze mogelijkheid biedt en voorziet daartoe in een stelsel van voornoemde soort waarbij de coder is voorzien van middelen voor het analyseren van het digitale signaal, van middelen voor het op eenduidige wijze kwantiseren van het geanalyseerde digitale signaal en van middelen voor het op grond van de akoestische eigenschappen van het menselijk oor bepalen van de hoeveelheid extra informatie die aan het gekwantiseerde digitale signaal kan worden toegevoegd zonder dat deze extra informatie bii een ongemodificeerde detectie hoorbaar is; van middelen voor het sommeren van de extra informatie en het gekwantiseerde digitale signaal tot een samengesteld signaal en van middelen om het samengestelde signaal weer om te zetten in een digitaal signaal met het tevoren bepaalde formaat.The object of the invention is to provide a system that offers this possibility and to that end provides a system of the aforementioned type in which the coder is provided with means for analyzing the digital signal, means for unambiguously quantizing the analyzed digital signal and means for determining the amount of additional information that can be added to the quantized digital signal based on the acoustic properties of the human ear without this additional information being audible in an unmodified detection; from means for summing the additional information and the quantized digital signal into a composite signal and from means for converting the composite signal back into a digital signal of the predetermined format.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt gebruik gemaakt van de psycho-akoestische eigenschap van het menselijk oor dat bij een opdeling van de audiofrequentieband in een aantal sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering corresponderen met de bandbreedten van de kritieke banden van het menselijk oor, de kwantisatieruis in een dergelijke sub-band optimaal gemaskeerd wordt door de signalen van deze sub-band.According to a preferred embodiment of the invention, use is made of the psychoacoustic property of the human ear that in dividing the audio frequency band into a number of sub-bands, the bandwidths of which correspond approximately to the bandwidths of the critical bands of the human ear , the quantization noise in such a subband is optimally masked by the signals of this subband.

Bij een uitvoeringsvorm volgens dit principe omvatten de middelen voor het analyseren van het digitale signaal analysefiltermiddelen voor het in responsie op het digitale signaal opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het digitale signaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentieverlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p < P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden bij voorkeur bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve freguentiebereiken alhoewel het ook mogelijk is minder sub- banden toe te passen, terwijl indien het hulpsignaal een digitaal audiosignaal is, bij voorkeur tevens is voorzien in analysefiltermiddelen voor het in responsie op het hulpsignaal opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het hulpsignaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p < P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden bij voorkeur weer bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebereiken, waarbij voor elk van de respectieve sub-banden is voorzien in de middelen voor het op een eenduidige wijze kwantiseren van het digitale signaal en in middelen voor het sommeren van de respectieve gekwantiseerde sub-bandsignalen en de overeenkomstige sub-bandsignalen van het hulpsignaal voor het vormen van P samengestelde sub-bandsignalen en waarbij is voorzien in synthesefiltermiddelen voor het in responsie op de samengestelde sub-band signalen construeren van een replica van het samengestelde signaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens een met de opdeling in de analysefiltermiddelen corresponderende filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen.In an embodiment according to this principle, the means for analyzing the digital signal comprises analysis filtering means for generating a plurality of P sub-band signals in response to the digital signal, said analysis filtering means dividing the frequency band of the digital signal according to a filtering method with sampling frequency reduction in successive subbands with band numbers p (1 <p <P), the bandwidths of the subbands preferably corresponding approximately to the critical bandwidths of the human ear in the respective frequency ranges, although it is also possible to have fewer subbands while, if the auxiliary signal is a digital audio signal, analysis filter means are preferably also provided for generating a plurality of P sub-band signals in response to the auxiliary signal, said analysis filter means varying the frequency band of the auxiliary signal according to a filtering method with sampling frequency -delivery and in consecutive sub-bands with band numbers p (1 <p <P), the bandwidths of the sub-bands preferably again corresponding approximately to the critical bandwidths of the human ear in the respective frequency ranges, with each of the respective subbands provide the means for unambiguously quantizing the digital signal and means for summing the respective quantized subband signals and the corresponding subband signals of the auxiliary signal to form P composite subband signals and wherein there is provided synthesis filter means for constructing a replica of the composite signal in response to the composite subband signals, which synthesis means assemble the subbands according to a filtering rate enhancement filtering method corresponding to the breakdown in the analysis filtering means.

Voor het afleiden van de in een dergelijk samengesteld signaal opgenomen hulpsignaal is een decoder voorzien van analysefiltermiddelen voor het in responsie op het samengestelde signaal opwekken van een aantal van samengestelde sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de frequentieband van het samengestelde signaal volgens een filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1 < p i P), waarbij de bandbreedten van de sub-banden corresponderen met die van de analysefiltermiddelen in de zender; van middelen voor het op een eenduidige wijze kwantiseren van de samengestelde sub-band signalen; m middelen voor het aftrekken van de respectieve gekwantiseerde sub-band signalen van de overeenkomstige sub-band signalen van het samengestelde signaal voor het vormen van sub-band verschilsignalen en in synthesefiltermiddelen voor het in responsie op sub-band verschilsignalen construeren van een replica van het hulpsignaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens een met de opdeling in de analysefiltermiddelen corresponderende filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen. De analysefiltermiddelen en de synthesefiltermiddelen vormen daarbij tezamen zowel in de coder als in de decoder een perfect reconstruerend filter.For deriving the auxiliary signal included in such a composite signal, a decoder is provided with analysis filtering means for generating a number of composite sub-band signals in response to the composite signal, which analysis filtering means the frequency band of the composite signal according to a filtering method with sampling frequency - dividing the cut into successive sub-bands with band numbers p (1 <pi P), the bandwidths of the sub-bands corresponding to those of the analysis filter means in the transmitter; means for unambiguously quantizing the composite sub-band signals; means for subtracting the respective quantized sub-band signals from the corresponding sub-band signals from the composite signal to form sub-band difference signals and in synthesis filtering means for constructing a replica of the sub-band difference signals in response to sub-band difference signals. auxiliary signal, which synthesis means combine the sub-bands according to a filter method with sampling frequency increase corresponding to the division in the analysis filter means. The analysis filter means and the synthesis filter means together form a perfectly reconstructing filter both in the coder and in the decoder.

Alhoewel de uitvinding toepasbaar is bij het registreren van digitale informatie op b.v. een compact disc of een videoband., en het weergeven daarvan, alsook bij het zenden van digitale informatie, zoals bij b.v. televisie, en het ontvangen daarvan, zal in het hierna volgende kortheidshalve steeds worden gesproken over het zenden en het ontvangen, waarbij echter het registreren en naderhand weergeven ook impliciet wordt bedoeld.Although the invention is applicable in recording digital information on e.g. a compact disc or a video tape, and the reproduction thereof, as well as when transmitting digital information, such as e.g. For the sake of brevity, television, and the reception thereof, will always be referred to as transmitting and receiving, whereby the recording and subsequent reproduction is also implicitly meant.

De uitvinding berust op het inzicht dat het door het op tevoren bepaalde wijze kwantiseren van het digitale audiosignaal mogelijk is in de kwantisatieruis die dan ontstaat extra informatie in de vorm van een hulpsignaal in de vorm van een tijddiscreetsignaai, meestal een digitaal-signaal, of in de vorm van een datasignaal te verbergen en dat dit opnieuw gekwantiseerde digitale audiosignaal met daaraan toegevoegd het hulpsignaal vervolgens weer kan worden omgezet in een samengesteld digitaal signaal met opnieuw het tevoren bepaalde formaat, waarbij bij het ontvangen van dit samengestelde digitale signaal in een ontvanger die niet is voorzien van een speciale decoder, uit dit samengestelde signaal op gebruikelijke wijze de in het oorspronkelijke digitale audiosignaal aanwezige audio-informatie kan worden afgeleid, zonder dat dit hoorbaar wordt beïnvloed door het hulpsignaal, omdat dit verborgen blijft in de kwantisatieruis. In een wel van een decoder voorziene ontvanger kan echter uit het verschil tussen het samengestelde digitale signaal en het op de tevoren bepaalde wijze gekwantiseerde samengestelde digitale signaal de informatie omtrent het hulpsignaal worden afgeleid.The invention is based on the insight that by quantizing the digital audio signal in a predetermined manner, it is possible in the quantization noise that then arises to generate additional information in the form of an auxiliary signal in the form of a time discrete signal, usually a digital signal, or in hide the shape of a data signal and that this re-quantized digital audio signal with the auxiliary signal added thereto can then be converted back into a composite digital signal of the predetermined format again, while receiving this composite digital signal in a receiver that does not is equipped with a special decoder, from this composite signal the audio information present in the original digital audio signal can be derived in the usual manner, without this being audibly influenced by the auxiliary signal, because it remains hidden in the quantization noise. In a receiver provided with a decoder, however, the information about the auxiliary signal can be derived from the difference between the composite digital signal and the composite digital signal quantized in the predetermined manner.

Het aan de uitvinding ten grondslag liggende inzicht maakt het op relatief eenvoudige wijze mogelijk extra informatie, in de vorm van een hulpsignaal, aan een bestaand digitaal audiosignaal met een vast formaat, verder te noemen het hoofdsignaal, toe te voegen en daaraan weer te onttrekken, zonder dat hierbij de oorspronkelijke informatie hoorbaar wordt aangetast, terwijl deze oorspronkelijke informatie ook zonder enige aanpassing van de ontvangstapparatuur kan worden weergegeven.The insight underlying the invention makes it possible, in a relatively simple manner, to add and extract additional information, in the form of an auxiliary signal, from an existing fixed-format digital audio signal, hereinafter referred to as the main signal, without audibly affecting the original information, while this original information can also be reproduced without any modification to the receiving equipment.

Het aan de uitvinding ten grondslag liggende inzicht is alleen dan toe te passen wanneer aan een aantal voorwaarden voldaan is.The insight underlying the invention can only be applied if a number of conditions are met.

deze zijn: 1) de wijze van kwantiseren van het hoofdsignaal dient zodanig te zijn gekozen dat zowel bij het kwantiseren bij het zenden als bij het ontvangen steeds tot dezelfde kwantisatie wordt besloten; 2) de amplitude van het toe te voegen hulpsignaal dient kleiner te zijn dan de helft van de kwantisatiestap van het hoofdsignaal; en 3) het kwantiseren van het hoofdsignaal dient op zodanige wijze te geschieden dat de kwantisatieruis niet hoorbaar toeneemt.these are: 1) the method of quantizing the main signal must be chosen in such a way that the same quantization is always decided both when quantizing during transmission and during reception; 2) the amplitude of the auxiliary signal to be added should be less than half of the quantization step of the main signal; and 3) quantizing the main signal must be done in such a way that the quantization noise does not increase audibly.

Aan voorwaarde 1) kan op eenvoudige wijze worden voldaan wanneer gekozen wordt voor een vaste kwantisatiestap, waarvan de grootte dus onafhankelijk is van de amplitude van het hoofdsignaal. Bij het kwantiseren zowel aan de zendzijde als aan de ontvangzijde ligt dan de kwantisatiestap vast en treden geen problemen op. In de praktijk maakt men echter bij voorkeur gebruik van een adaptieve kwantisatiestap omdat hierdoor een optimale uitsturingsruimte voor het hulpsignaal gerealiseerd kan worden. Bij een dergelijke adaptieve kwantisatie dienen speciale maatregelen getroffen te worden om zowel aan zend- als ontvangzijde, onafhankelijk van de signaalamplitude van het hoofdsignaal, bij het zenden en bij het ontvangen, steeds op een eenduidige wijze tot dezelfde kwantisatie te besluiten.Condition 1) can be easily met when a fixed quantization step is chosen, the magnitude of which is thus independent of the amplitude of the main signal. During the quantization both on the transmit side and on the receive side, the quantization step is then fixed and no problems arise. In practice, however, use is preferably made of an adaptive quantization step, because this allows an optimum control space for the auxiliary signal to be realized. With such adaptive quantization, special measures must be taken to decide unambiguously on the transmit and receive sides, irrespective of the signal amplitude of the main signal, during transmitting and receiving, the same quantization.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is per sub-band de grootte van de kwantisatiestap afhankelijk van de amplitude van het hoofdsignaal, waarbij tussen de mogelijke opeenvolgende stappen een exponentieel verband, met een tevoren bepaald grondtal bestaat. Op deze wijze is het mogelijk een adaptieve kwantisatie te verkrijgen die zich aanpast aan de amplitude van het hoofdsignaal en die aan de ontvangzijde op eenduidige wijze uit het samengestelde signaal is af te leiden, om zo het hoofdsignaal terug te kunnen winnen. Een en ander zal onderstaand nog nader worden toegelicht.According to a preferred embodiment of the invention, the magnitude of the quantization step per sub-band depends on the amplitude of the main signal, wherein between the possible successive steps there is an exponential relationship, with a predetermined base. In this way it is possible to obtain an adaptive quantization which adapts to the amplitude of the main signal and which can be uniquely derived from the composite signal on the receiving side, in order to be able to recover the main signal. All this will be explained in more detail below.

Aan de bovenstaand genoemde voorwaarde 2) kan worden voldaan door het hulpsignaal per sub-band aan de zendzijde met een bepaalde faktor te verzwakken en aan de ontvangzijde weer met dezelfde faktor te versterken, waarbij de grootte van deze faktor afhankelijk gekozen kan worden van de grootte van de kwantisatiestap dat gebruikt is voor het kwantiseren van het hoofdsignaal. In het geval het hulpsignaal een datasignaal is, is geen verzwakking nodig omdat dan per gekwantiseerd monster van het hoofdsignaal bepaald kan worden hoeveel bits een halve kwantisatiestap vormen en dus hoeveel data per monster kan worden toegevoegd.The above condition 2) can be met by attenuating the auxiliary signal per sub-band on the transmit side with a certain factor and on the receive side again amplify it with the same factor, the size of this factor being selectable depending on the size of the quantization step used to quantize the main signal. In case the auxiliary signal is a data signal, no attenuation is necessary because it is then possible to determine per quantized sample of the main signal how many bits form a half quantization step and thus how much data can be added per sample.

Aan voorwaarde 3) kan in principe worden voldaan door de kwantisatiestappen klein genoeg te kiezen, waardoor de kwantisatieruis i zeer klein gehouden kan worden. Dit leidt echter tot een conflict met voorwaarde 2). In het geval van een kleine kwantisatiestap is immers de voor het hulpsignaal beschikbare amplitude, die immers kleiner dient te zijn dan de helft van die kwantisatiestap, ook zeer klein, hetgeen tot problemen in verband met ruis en de reproduceerbaarheid van het hulpsignaal leidt. Bij voorkeur wordt daarom voor een vrij grove kwantisatie van het hoofdsignaal gekozen in combinatie met maatregelen om de daardoor ontstane kwantisatieruis voor het menselijk oor onhoorbaar te maken. Dergelijke maatregelen zijn op zich bekend.Condition 3) can in principle be satisfied by choosing the quantization steps small enough, so that the quantization noise i can be kept very small. However, this leads to a conflict with condition 2). After all, in the case of a small quantization step, the amplitude available for the auxiliary signal, which should be less than half of that quantization step, is also very small, leading to problems related to noise and reproducibility of the auxiliary signal. Preferably, therefore, a rather coarse quantization of the main signal is chosen in combination with measures to render the resulting quantization noise inaudible to the human ear. Such measures are known per se.

Een eerste berust op het verschijnsel dat bij een opdeling van de audiosignaalband in een aantal sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering corresponderen met de bandbreedten van de kritieke banden van het menselijk oor in de respectieve freguentiegebieden, op grond van psycho-akoestische experimenten verwacht mag worden dat de kwantisatieruis in een dergelijke sub-band optimaal gemaskeerd zal worden door de signalen in deze sub-band, wanneer bij de kwantisatie rekening gehouden wordt met de ruis-maskeringskromme van het menselijk oor. Deze kromme geeft de drempelwaarde voor het maskeren van ruis in een kritieke band door een enkele toon in het midden van de kritieke band. In het geval een digitaal muzieksignaal van hoge kwaliteit, dat b.v. overeenkomstig de compact disc standaard wordt gerepresenteerd met 16 bits per signaalmonster waarbij de bemonsterfrequentie 1/T = 44,1 kHz is, blijkt dat de toepassing van deze bekende sub-bandcodering met een geschikt gekozen bandbreedte en een geschikt gekozen kwantisatie voor de respectieve sub-banden resulteert in gekwantiseerde uitgangssignalen van de zender die met een gemiddeld aantal van ongeveer 2,5 bits per signaalmonster kunnen worden gerepresenteerd, terwijl de kwaliteit van de replica van het muzieksignaal niet waarneembaar verschilt van die van het originele muzieksignaal in vrijwel alle passages van vrijwel alle soorten in muzieksignalen. Voor een verdere toelichting van dit verschijnsel wordt verwezen naar het artikel "The Critical Band Coder-Digital Encoding of speech signals based on the perceptional requirements of the auditory system" van M.E. Krasner in Proceedings IEEE ICASSP 80, Vol. 1, biz. 327-331, april 9-11, 1980. Door gebruik te maken van deze zgn. simultane maskering in frequentie sub-banden kan ondanks een grove kwantisatie toch het hoofdsignaal met minimaal kwaliteitsverlies worden gekwantiseerd, waardoor de uitsturingsruimte voor het hulpsignaal, d.w.z. de ruimte kleiner dan een halve kwantisatiestap, relatief groot is, zodat ook dit signaal met een minimaal kwaliteitsverlies kan worden gereconstrueerd.The first is based on the phenomenon that, when the audio signal band is divided into a number of sub-bands, the bandwidths of which correspond approximately to the bandwidths of the critical bands of the human ear in the respective freguency regions, based on psychoacoustic experiments It should be noted that the quantization noise in such a subband will be optimally masked by the signals in this subband, if the noise masking curve of the human ear is taken into account in the quantization. This curve gives the threshold for masking noise in a critical band by a single tone in the center of the critical band. In the case of a high quality digital music signal, e.g. according to the compact disc standard is represented with 16 bits per signal sample with the sampling frequency being 1 / T = 44.1 kHz, it appears that the application of this known sub-band coding with an appropriately selected bandwidth and an appropriately selected quantization for the respective sub- bands results in quantized output signals from the transmitter that can be represented with an average number of about 2.5 bits per signal sample, while the quality of the replica of the music signal is not noticeably different from that of the original music signal in almost all passages of almost all kinds in music signals. For a further explanation of this phenomenon, reference is made to the article "The Critical Band Coder-Digital Encoding of speech signals based on the perceptional requirements of the auditory system" by M.E. Krasner in Proceedings IEEE ICASSP 80, Vol. 1, biz. 327-331, April 9-11, 1980. By using this so-called simultaneous masking in frequency sub-bands, despite a rough quantization, the main signal can still be quantized with minimal loss of quality, so that the output space for the auxiliary signal, ie the space smaller than a half quantization step, is relatively large, so that this signal can also be reconstructed with a minimal loss of quality.

Een andere op zich bekende maatregel maakt gebruik van het psycho-akoestische effekt van de temporele maskering, d.w.z. de eigenschap van het menselijk oor dat de drempelwaarde voor het waarnemen van signalen kort voor en kort na het optreden van een ander signaal met relatief hoge signaalenergie tijdelijk hoger blijkt te zijn dan tijdens de afwezigheid van laatsgnoemd signaal. In de tijdsruimte voor en na een dergelijk signaal met een hoge signaalenergie kan nu extra informatie van het hulpsignaal worden opgenomen. Het is ook mogelijk de temporele maskering en de maskering met behulp van frequentie sub-banden te combineren. Een eerste mogelijkheid hiertoe is volgens de uitvinding gebruik te maken van de kennis omtrent de amplitude van één of meer voorafgaande monsters van het digitale signaal. In het geval van een afnemende amplitude kan nu bij adaptieve kwantisatie de kwantisatiestap groter gekozen worden dan op grond van de feitelijke signaalamplitude en het gekozen kwantisatiecriterium toelaatbaar zou zijn, omdat de daardoor optredende extra kwantisatieruis bij deze relatief lage amplitude wordt gemaskeerd door de voorafgaande grotere amplitude(s). Doordat een grovere kwantisatie gekozen kan worden kan meer extra informatie in de op een grote signaalamplitude volgende monsters van het digitale signaal worden verborgen, hetgeen de signaal-ruisverhouding bij ontvangst van het hulpsignaal gunstig beïnvloedt. Een groot voordeel van deze wijze van temporeel maskeren is dat er geen extra vertraging optreedt bij het bepalen van de monsters waarin op grond van temporele maskering grover gekwantiseerd mag worden.Another measure known per se makes use of the psychoacoustic effect of the temporal masking, ie the property of the human ear that the threshold value for detecting signals temporarily before and shortly after the occurrence of another signal with relatively high signal energy turns out to be higher than during the absence of the latter signal. Additional information of the auxiliary signal can now be included in the time space before and after such a signal having a high signal energy. It is also possible to combine the temporal masking and the masking using frequency sub-bands. According to the invention, a first possibility for this is to make use of the knowledge of the amplitude of one or more previous samples of the digital signal. In the case of a decreasing amplitude, in the case of adaptive quantization, the quantization step can now be chosen larger than on the basis of the actual signal amplitude and the selected quantization criterion would be permissible, because the additional quantization noise thereby occurring at this relatively low amplitude is masked by the previously larger amplitude. (s). Because coarser quantization can be chosen, more additional information can be hidden in the samples of the digital signal following a large signal amplitude, which favorably influences the signal-to-noise ratio upon receipt of the auxiliary signal. A major advantage of this method of temporal masking is that there is no additional delay in determining the samples in which coarser quantization is permitted due to temporal masking.

Een andere mogelijkheid is de monsters van het hoofdsignaal bloksgewijs op te slaan en op grond van de maximale signaalamplitude in dat blok te besluiten tot één kwantisatiestap die geldt voor alle monsters in dat blok, waarbij er van wordt uitgegaan dat tengevolge van de temporele maskering de in feite te grove kwantisering van de monsters met een lagere signaalamplitude niet hoorbaar is. Hierbij dient echter steeds een bloksignaalmonster te worden opgeslagen alvorens de kwantisatiestap bepaald kan worden.Another possibility is to store the samples of the main signal in blocks and to decide, based on the maximum signal amplitude in that block, one quantization step that applies to all samples in that block, assuming that due to the temporal masking in fact, coarse quantization of the samples with a lower signal amplitude is not audible. However, a block signal sample must always be stored before the quantization step can be determined.

De uitvinding zal in het hierna volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de tekening, hierin toont:The invention will be elucidated hereinbelow on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing, which shows:

Fig. 1: een blokschema van een voorkeursuitvoeringsvorm van een zend-ontvangstelsel met een coder en een decoder volgens de uitvinding; enFig. 1: a block diagram of a preferred embodiment of a transceiver system with a coder and a decoder according to the invention; and

Fig. 2: een schematische weergave van de wijze van kwantiseren in de coder.Fig. 2: a schematic representation of the quantization method in the coder.

Fig. 1 toont schematisch een stelsel bestaande uit een zender 1 en een ontvanger 2 voor het resp. toevoegen en onttrekken van extra informatie aan een digitaal audiosignaal met een tevoren bepaald formaat, welke informatie wordt overgedragen via of opgeslagen in een medium 3. Dit medium kan een transmissiekanaal zijn, maar b.v. ook een compact disc of een magnetische band of schijf.Fig. 1 schematically shows a system consisting of a transmitter 1 and a receiver 2 for the resp. adding and extracting additional information from a digital audio signal of a predetermined format, which information is transferred via or stored in a medium 3. This medium may be a transmission channel, but e.g. also a compact disc or a magnetic tape or disc.

De zender omvat een coder in de vorm van een processor 7 met een ingangsklem 4 voor het digitale signaal u(k) met het tevoren bepaalde formaat en een ingangsklem 5 voor het toe te voegen digitale hulpsignaal v(k) en met een uitgangsklem 6. De uitgangsklem 6 van de processorketen 7 is gekoppeld met het medium 3.The transmitter comprises a coder in the form of a processor 7 with an input terminal 4 for the digital signal u (k) of the predetermined format and an input terminal 5 for the digital auxiliary signal v (k) to be added and with an output terminal 6. The output terminal 6 of the processor circuit 7 is coupled to the medium 3.

De ontvanger 2 omvat een vertragingsketen 9 met een vertragingstijd *£, alsmede een decoder in de vorm van een processorketen 10. De ingangsklemmen van deze beide ketens zijn met elkaar verbonden en ingericht om het door het medium 3 afgegeven digitale samengestelde signaal te ontvangen. Aan de uitgangsklem van de vertragingsketen 9 is, zoals onderstaand zal worden toegelicht, het hoofdsignaal weer beschikbaar in de vorm van een signaal u'(k) en aan de uitgangsklem van processorketen 10 is het hulpsignaal beschikbaar in de vorm van een signaal v'(k).The receiver 2 comprises a delay circuit 9 with a delay time £, as well as a decoder in the form of a processor circuit 10. The input terminals of these two circuits are connected to each other and arranged to receive the digital composite signal output by the medium 3. At the output terminal of the delay circuit 9, as will be explained below, the main signal is again available in the form of a signal u '(k) and at the output terminal of processor circuit 10 the auxiliary signal is available in the form of a signal v' ( k).

De werking van het systeem volgens fig. 1 is als volgt.The operation of the system according to Fig. 1 is as follows.

Aan de ingangsklem van de zender 1 worden opeenvolgende monsters van het signaal u(k) aangeboden. B.v. in het geval van een volgens de compact disc standaard gevormd audiosignaal bestaat ieder signaalmonster uit 1b' bits en is de bemonsterfrequentie 44,1 kHz. In de processorketen 7 wordt op grond van de gekozen wijze van toevoegen van het hulpsignaal v(k) d.w.z. door middel van temporele maskering of door simultane maskering met behulp van frequentie sub-banden of door een combinatie van beiden, bepaald hoeveel informatie van het signaal v(k) aan ieder monster van het signaal u(k) kan worden toegevoegd. Indien gebruik gemaakt wordt van temporele maskering kan dit zijn in de tijden kort voor en/of kort na een luide passage in het signaal u(k) en in het geval gekozen wordt voor simultane maskering door het opdelen in frequentie sub-banden zal aan ieder signaalmonster van het signaal u(k) in principe informatie omtrent het signaal v(k) kunnen worden toegevoegd. Zoals eerder vermeld is ook een combinatie van beide typen maskering mogelijk. Het samengestelde uitgangssignaal van de processorketen 7, wordt in een omzetketen 29 weer omgezet in het tevoren bepaalde formaat van het digitale hoofdsignaal en toegevoegd aan het medium 3.Successive samples of the signal u (k) are applied to the input terminal of transmitter 1. E.g. in the case of an audio signal formed according to the compact disc standard, each signal sample consists of 1b 'bits and the sampling frequency is 44.1 kHz. In the processor circuit 7, based on the chosen manner of adding the auxiliary signal v (k), ie by means of temporal masking or by simultaneous masking using frequency sub-bands or by a combination of both, it is determined how much information of the signal v (k) can be added to any sample of the signal u (k). If temporal masking is used, this may be in the times shortly before and / or shortly after a loud passage in the signal u (k) and in case simultaneous masking is chosen by dividing into frequency sub-bands, each signal sample of the signal u (k) in principle information about the signal v (k) can be added. As mentioned earlier, a combination of both types of masking is also possible. The composite output signal from the processor circuit 7 is converted again in a conversion circuit 29 into the predetermined format of the main digital signal and added to the medium 3.

In de ontvanger 2 wordt het ontvangen signaal in processorketen 10 onderworpen aan een decodeerbewerking om zo de signalen u(k) en v(k) weer te splitsen, waarbij aan de uitgang van keten 10 het signaal v'(k) ter beschikking staat, terwijl via vertragingsketen 9, waarvan de vertraging gelijk is aan die welke wordt geproduceerd door de processorketen 10, het signaal u'(k) synchroon met het signaal v'(k) beschikbaar is.In the receiver 2, the received signal in processor circuit 10 is subjected to a decoding operation in order to split the signals u (k) and v (k) again, the signal v '(k) being available at the output of circuit 10, while via delay circuit 9, the delay of which is equal to that produced by the processor circuit 10, the signal u '(k) is available synchronously with the signal v' (k).

In het hierna volgende zal meer gedetailleerd de opbouw van de processorketens 7 en 10 worden toegelicht.The structure of the processor chains 7 and 10 will be explained in more detail below.

De processorketen 7 bevat filterbanken 22 en 23 voor het met bemonsterfrequentieverlaging opdelen van resp. het signaal u(k) en het signaal v(k) in P opeenvolgende sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebanden. De toepassing en opbouw van dergelijke filterbanken is wel bekend uit b.v. het bovengenoemde artikel van Krasner en het hoofdstuk "Sub-band coding" in het boek "Digital Coding of Wave Forms" van N.S. Jayant en P. Noll, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1984, biz. 486-509,The processor circuit 7 contains filter banks 22 and 23 for dividing resp. the signal u (k) and the signal v (k) in P consecutive sub-bands, the bandwidths of which correspond approximately to the critical bandwidths of the human ear in the respective frequency bands. The application and construction of such filter banks is known from e.g. the aforementioned article by Krasner and the chapter "Sub-band coding" in the book "Digital Coding of Wave Forms" by N.S. Jayant and P. Noll, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1984, biz. 486-509,

Elk van de P sub-bandsignalen van filterbank 22 wordt toegevoerd aan een adaptieve kwantisator 24(p), met 1 < p < P, terwijl elk sub-banduitgangsignaal van filterbank 23 wordt toegevoerd aan een verzwakker 25(p), met 1 1 p <. P. De uitgangssignalen van de sommeerketen 26(p) worden nu toegevoerd aan een synthese filterbank 27 waarin de P sub-banden worden samengevoegd tot een signaal met dezelfde bandbreedte als de oorspronkelijke signalen u(k) en v(k). Het uitgangssignaal van de synthesefilterbank 27 wordt in een omzetketen 29 gecodeerd in een digitaal signaal met een tevoren bepaald formaat, b.v. 16 bits, en als samengesteld signaal s(k) toegevoerd aan het medium 3.Each of the P subband signals from filter bank 22 is supplied to an adaptive quantizer 24 (p), with 1 <p <P, while each subband output from filter bank 23 is supplied to an attenuator 25 (p), with 1 1 p <. P. The outputs of the summing circuit 26 (p) are now applied to a synthesis filter bank 27 in which the P sub-bands are combined into a signal of the same bandwidth as the original signals u (k) and v (k). The output of the synthesis filter bank 27 is encoded in a conversion chain 29 into a digital signal of a predetermined format, e.g. 16 bits, and as composite signal s (k) supplied to the medium 3.

Wanneer het aantal kwantisatieniveaus per frequentieband in de zender 2 op juiste wijze is gekozen is in het aan het medium 3 toegevoerde digitale signaal niets te bemerken van het toevoegen van het signaal v(k), mits is voldaan aan de voorwaarde dat de amplitude van een toe te voegen hulpsignaalmonster in iedere freguentie-sub-band voor ieder monster van up(k) kleiner is dan q/2, waarbij q de kwantisatiestap van dat monster is.When the number of quantization levels per frequency band in the transmitter 2 is correctly selected, in the digital signal supplied to the medium 3, nothing can be noticed of the addition of the signal v (k), provided that the condition that the amplitude of a auxiliary signal sample to be added in each frequency sub-band for each sample of up (k) is less than q / 2, where q is the quantization step of that sample.

Aan de ontvangzijde kan nu een niet aangepast apparaat rechtstreeks, zonder enige aanpassing, het oorspronkelijke signaal u(k) worden weergegeven, omdat in het samengestelde digitale signaal s(k) de extra informatie van het signaal v(k) niet hoorbaar is, omdat dit door het signaal u(k) gemaskeerd wordt.On the receive side, an unadjusted device can now display the original signal u (k) directly, without any modification, because in the composite digital signal s (k) the additional information of the signal v (k) is not audible, because this is masked by the signal u (k).

Een ontvanger die wel geschikt is voor het ontvangen van zowel het signaal u{k) als het signaal v(k), b.v. een D2MAC televisie-ontvanger met surround-sound weergavemogelijkheid, is echter voorzien van een filterbank 31 die op dezelfde wijze is opgebouwd als de filterbank 22. Deze filterbank 31 splitst het ontvangen samengestelde signaal s(k) weer in P sub-banden met dezelfde bandbreedten en centrale frequenties als de sub-banden van de filterbank 22. Elk van deze sub-band signalen wordt toegevoegd aan een adaptieve kwantisator 33(p), met 1 < p < P. Bij een juiste dimensionering van deze kwantisator wordt uit elk van de P sub-banden na kwantisering weer voor iedere sub-band het signaal up(k) verkregen. Door elk van de sub-bandsignalen up(k) in een aftrekketen 34(p) af te trekken van het samengestelde sub-bandsignaal sp(k) wordt voor iedere sub-band p het signaal vp(k) verkregen. Elk van deze signalen vp(k) wordt in een versterker 35(p), «et 1 < p < P, weer versterkt met een faktor G die dezelfde is als die welke in de coder voor het verzwakken van die desbetreffende sub-band is gebruikt en vervolgens worden deze weer op schaal gebrachte signalen vp(k) toegevoerd aan een synthesefilterbank 36 die uit de afzonderlijke sub-banden vp(k) het signaal v'(k) reconstrueert. Het signaal u'(k) is, zoals gezegd, rechtstreeks af te leiden uit het samengestelde signaal s(k} en behoeft, indien men wenst dat het hoofd- en het hulpsignaal synchroon zijn, slechts in een vertragingsketen 9 te worden vertraagd over een tijd die gelijk is aan de door de processorketen 10 geïntroduceerde vertragingstijd.A receiver capable of receiving both the signal u {k) and the signal v (k), e.g. a D2MAC television receiver with surround sound reproduction capability, however, is equipped with a filter bank 31 which is constructed in the same way as the filter bank 22. This filter bank 31 splits the received composite signal s (k) back into P sub-bands with the same bandwidths and central frequencies as the sub-bands of the filter bank 22. Each of these sub-band signals is added to an adaptive quantizer 33 (p), with 1 <p <P. When properly sized this quantizer, each of the After quantization, P sub-bands again obtained the signal up (k) for each sub-band. Subtracting each of the subband signals up (k) in a subtracter 34 (p) from the composite subband signal sp (k) produces the signal vp (k) for each subband p. Each of these signals vp (k) is amplified again in an amplifier 35 (p), et 1 <p <P, with a factor G which is the same as that in the coder for attenuating that particular sub-band and then these rescaled signals vp (k) are fed to a synthesis filter bank 36 which reconstructs the signal v '(k) from the individual subbands vp (k). As stated, the signal u '(k) can be derived directly from the composite signal s (k} and, if the main and auxiliary signals are desired to be synchronous, it is only necessary to be delayed in a delay circuit 9 by a time equal to the delay time introduced by the processor circuit 10.

In het geval van een televisiezend-ontvangstelsel met surround-sound weergavemogelijkheden kunnen in het linker kanaal de signalen u(k) en v(k) resp. de digitale weergave van b.v. het signaal LV + LA en het signaal LA zijn. Een onaangepaste ontvanger ontvangt nu het volledige geluidssignaal LV + LA en kan dit zonder meer weergeven, terwijl in een aangepaste ontvanger, na splitsing van u(k) en v(k) met behulp van een aftrekschakeling de signalen LA en LV gescheiden aan de desbetreffende weergeefkanalen kunnen worden toegevoerd.In the case of a television transceiver system with surround sound reproduction possibilities, the signals u (k) and v (k) resp. the digital display of e.g. the signal LV + LA and the signal LA. An inadequate receiver now receives the full sound signal LV + LA and can reproduce it without any problem, while in a modified receiver, after splitting u (k) and v (k) with the help of a subtraction circuit, the signals LA and LV are separated at the relevant display channels can be supplied.

In het hiernavolgende zal worden besproken op welke wijze de adaptieve kwantisatoren 24(p) en 33(p) in de zender en ontvanger van het stelsel volgens fig. 1 kunnen worden ingericht om op een eenduidige wijze een adaptieve kwantisatie te verkrijgen voor elk van de sub-band signalen. Hiertoe wordt voor elk van de sub-banden tevoren bepaald hoeveel kwantisatiestappen gewenst zijn, dit aantal i(p) is voor elk van de sub-banden constant.In the following it will be discussed how the adaptive quantizers 24 (p) and 33 (p) in the transmitter and receiver of the system according to Fig. 1 can be arranged to unambiguously obtain an adaptive quantization for each of the sub-band signals. For this purpose, it is predetermined for each of the sub-bands how many quantization steps are desired, this number i (p) being constant for each of the sub-bands.

In verband met de wens dat de kwantisatie adaptief is dienen de kwantiesatiestappen ongeveer in verhouding tot de signaalgrootte te worden gekozen. Hiertoe wordt de amplitude-as opgedeeld in trajecten T, waarbij, indien de amplitude van een monster van het signaal u(k) in een bepaald traject Tn, met n een geheel getal, valt, de kwantisatiestappen voor dat monster een bepaalde grootte hebben die gelijk is aan de groote van het traject TR, Het kwantisatieniveau wordt midden in genoemd traject gelegd, opdat het hulpsignaal v(k) naar weerszijden toe ten opzichte van het kwantisatieniveau even ver kan worden uitgestuurd, zonder dat het samengestelde signaal sp(k) in een ander kwantisatietraject valt.Because of the desire for the quantization to be adaptive, the quantization steps should be chosen approximately in proportion to the signal size. For this purpose, the amplitude axis is divided into trajectories T, where if the amplitude of a sample of the signal u (k) falls in a given trajectory Tn, with n an integer, the quantization steps for that sample have a certain magnitude which is equal to the magnitude of the trajectory TR, The quantization level is placed in the middle of said trajectory, so that the auxiliary signal v (k) can be output to the opposite sides of the quantization level, without the composite signal sp (k) in another quantization trajectory falls.

Omdat men de kwantisatiestappen in verhouding tot de maximale signaalgrootte wenst te kiezen en het aantal kwantisatiestappen vast is, dienen de grootten van de trajecten T die steeds de grootte van de kwantisatiestap bepalen, evenredig met de amplitude toe te nemen. Bij voorkeur is het verloop van de trajectgrootten daarom exponentieel, waarbij ieder traject loopt van a^n“^2^ tot a^n+^2^ met a een constante en n een geheel getal. Het bij een bepaald traject Tn behorende kwantisatieniveau is dan 1/2 (an+1^2 + an~1^2).Since one wishes to choose the quantization steps in relation to the maximum signal size and the number of quantization steps is fixed, the sizes of the ranges T which always determine the size of the quantization step should increase in proportion to the amplitude. Preferably, the range of the range sizes is therefore exponential, each range ranging from a ^ n “^ 2 ^ to a ^ n + ^ 2 ^ with a constant and n an integer. The quantization level associated with a certain range Tn is then 1/2 (an + 1 ^ 2 + an ~ 1 ^ 2).

Fig. 2 geeft een amplitude-as weer waarop schematisch de verdeling van de kwantisatieniveaus volgens het uitvoeringsvoorbeeld getoond is. Afhankelijk van de absolute waarde van de maximale amplitude ö(k) van het signaal u(k) is de kwantisatiestap gelijk aan de grootte van het traject waarin ü(k) valt en dus aan a(n+V2) _ a(n-1/2)_Fig. 2 shows an amplitude axis which schematically shows the distribution of the quantization levels according to the exemplary embodiment. Depending on the absolute value of the maximum amplitude ö (k) of the signal u (k), the quantization step is equal to the size of the range in which ü (k) falls and thus to a (n + V2) _ a (n- 1/2) _

De keuze van de waarde van de factor a is in dit geval vrij. Het is echter dikwijls gewenst dat ook de waarde 0 een kwantisatieniveau is, omdat het dan o.m. niet uitmaakt of het maximum van het signaalniveau van u(k) positief of negatief is, terwijl tevens voorkomen wordt dat relatief kleine signaal amplitudes op een aanzienlijk hoger kwantisatieniveau worden gekwantiseerd. Dit levert dan de extra eis dat het gekozen kwantisatieniveau een geheel aantal malen de kwantisatiestap is. Deze eis beperkt de keuze van de constante a tot a = (2k + 1)/(2k - 1) met k = 1,2, ...; d.w.z. a = 3; a = 5/3; a = 7/5 ... etc.In this case, the choice of the value of the factor a is free. However, it is often desirable that the value 0 also be a quantization level, because it makes no difference whether the maximum of the signal level of u (k) is positive or negative, while at the same time preventing relatively small signal amplitudes at a considerably higher quantization level. are quantized. This then provides the additional requirement that the selected quantization level is a whole number of times the quantization step. This requirement limits the choice of the constant a to a = (2k + 1) / (2k - 1) with k = 1.2, ...; i.e. a = 3; a = 5/3; a = 7/5 ... etc.

Het gevolg van de keuze van de kwantisatiestappen volgens deze voorkeursuitvoeringsvorm is dat in de decodeerinrichting altijd uit het samengestelde signaal s(k) op eenduidige wijze het signaal vp(k) kan worden teruggevonden, omdat bij een bepaalde signaalamplitude altijd tot hetzelfde kwantisatieniveau wordt besloten. Wanneer dit kwantisatieniveau en dus up(k) bepaald is, kan het worden afgetrokken van het samengestelde signaal om zo het signaal vp(k) te bepalen.The consequence of the choice of the quantization steps according to this preferred embodiment is that the signal vp (k) can always be unambiguously retrieved from the composite signal s (k) in the decoder, because the same quantization level is always decided at a given signal amplitude. When this quantization level and thus up (k) is determined, it can be subtracted from the composite signal to determine the signal vp (k).

Voor het besturen van resp. de kwantisatoren 24(p) en 32(p) is in processorketen 7 voorzien in kwantisatiestapbepalingsketens 28(p) en in processorketen 10 in kwantiesatiestapbepalingsketens 32, de opbouw van deze ketens is in principe identiek. De ketens 28(p) en 32(p) bevatten resp. geheugensecties 28'(p) en 32'(p) waarin voor iedere sub-band de tevoren bepaalde waarde voor het grondtal a is opgeslagen, die per sub-band kan verschillen. De ketens 28(p) en 32(p) berekenen aan de hand van de bovenstaand beschreven kwantiesatieprocedure voor ieder monster van up(k) resp. sp(k) de grootte van de kwantisatiestap en geven deze via een uitgang af aan resp. de kwantisatoren 24(p) en 33(p). Een van de waarde van a in de resp. geheugensecties 25'(p) en 32'(p) afgeleide waarde wordt tevens toegevoerd aan een stuuringang van de respectieve verzwakkers 25(p) en van de respectieve versterkers 35(p) om de signalen vp(k) resp. met een faktor G te verzwakken en te versterken. De van de waarde van a afgeleide verzwakking - resp. versterkingsfactor G bedraagt 2a/(a-1). Men weet immers dat ü(k), de maximale amplitude van het signaal u(k), ten hoogste gelijk is aan a(n+1/2) terwijl de maximale toelaatbare amplitude v(k) van het hulpsignaal v(k) dan gelijk is aan 1/2 [a(n+V2) _ a(n-1/2)j_ Er geldt nu ü(k)/v(k) = 2a/(a-1). Mits er nu van te voren voor wordt gezorgd dat altijd geldt v(k) < ü(k), hetgeen in de praktijk zonder problemen te realiseren is, is het altijd zeker dat v(k) < q/2 indien men voor de faktor G kiest G = 2a/(a-1). In praktische gevallen is dikwijls reeds automatisch voldaan aan de voorwaarde v(k) < ü(k), door de relatie die tussen deze beide signalen bestaat.For controlling resp. the quantizers 24 (p) and 32 (p) are provided in processor chain 7 in quantization step determination chains 28 (p) and in processor chain 10 in quantization step determination chains 32, the structure of these chains is in principle identical. The chains 28 (p) and 32 (p) contain respectively. memory sections 28 '(p) and 32' (p) in which for each subband the predetermined value for the base a is stored, which may differ per subband. Chains 28 (p) and 32 (p) calculate using the above-described quantization procedure for each sample of up (k), respectively. sp (k) the magnitude of the quantization step and output it to resp. the quantizers 24 (p) and 33 (p). One of the value of a in the resp. memory sections 25 '(p) and 32' (p) derivative value is also applied to a control input of the respective attenuators 25 (p) and of the respective amplifiers 35 (p) to convert the signals vp (k), respectively. attenuate and strengthen with a factor G. The attenuation derived from the value of a - resp. gain factor G is 2a / (a-1). After all, it is known that ü (k), the maximum amplitude of the signal u (k), is at most equal to a (n + 1/2), while the maximum permissible amplitude v (k) of the auxiliary signal v (k) is then equals 1/2 [a (n + V2) _ a (n-1/2) j_ Now there holds ü (k) / v (k) = 2a / (a-1). Provided in advance it is ensured that v (k) <ü (k) always applies, which can be achieved in practice without problems, it is always certain that v (k) <q / 2 if one applies to the factor G chooses G = 2a / (a-1). In practical cases, the condition v (k) <ü (k) is often already automatically fulfilled, due to the relationship existing between these two signals.

Om te voorkomen dat v(k) toch op de een of andere wijze de waarde q/2 overschrijdt, kan in de uitgangsleiding van iedere ver-zwakker 25(p) voorzien zijn in de in fig. 1 in stippellijn getoonde begrenzer 30(p) die informatie omtrent de in te stellen begrenzings-waarde ontvangt van de ketens 28(p) en die het uitgangssignaal van de verzwakker 25(p) begrenst op ten hoogste q/2.In order to prevent that v (k) nevertheless in some way exceeds the value q / 2, the output line of each attenuator 25 (p) may be provided with the limiter 30 shown in dotted line in fig. 1 (p ) which receives information about the limit value to be set from the circuits 28 (p) and which limits the output of the attenuator 25 (p) to a maximum of q / 2.

In het geval gekozen wordt voor simultane maskering samen met temporele maskering, bevatten de ketens 28(p) en 32(p) de benodigde circuits om het huidige monster van up(k) te vergelijken met een of meer voorafgaande monsters om, in het geval het huidige monster een lagere amplitude bezit dan de amplitude van een of meer van de voorafgaande monsters te besluiten tot een grotere kwantisatiestap op grond van tevoren opgeslagen kennis omtrent het verloop van de temporele maskeringskromme die behoort bij een bepaalde maximum amplitude van up(k).In case simultaneous masking is chosen together with temporal masking, circuits 28 (p) and 32 (p) contain the necessary circuits to compare the current sample from up (k) with one or more previous samples to, in case the current sample has a lower amplitude than the amplitude of one or more of the previous samples to decide on a larger quantization step based on previously stored knowledge of the temporal masking curve progression associated with a given maximum amplitude of up (k).

In het geval van blokkwantisatie dient tussen elk van de P uitgangen van de filterbank 22 en de ingang van de bijbehorende kwantisator 24(p) te zijn voorzien in een bufferketen, die steeds een blok van M signaal monsters opslaat, waarbij de maximale amplitude in ieder blok wordt bepaald en wordt gebruikt voor het bepalen van de kwantisatiestap voor het gehele blok.In the case of block quantization, a buffer circuit must be provided between each of the P outputs of the filter bank 22 and the input of the associated quantizer 24 (p), which always stores a block of M signal samples, the maximum amplitude in each block is determined and is used to determine the quantization step for the entire block.

Tenslotte wordt nog opgemerkt dat ook nog extra ruimte voor het toevoegen van v(k) in een sub-band p gevonden kan worden, door ook naar het amplitudeverloop in aangrenzende sub-banden te kijken. Indien in een aangrenzende sub-band een grote amplitude van u(k) optreedt terwijl in de sub-band p de amplitude van u(k) zeer gering of zelfs nul is, kan op grond van de maskeringseigenschappen van het signaal in deze aangrenzende sub-band besloten worden in sub-band p toch een bepaalde hoeveelheid van het signaal v(k) toe te laten.Finally, it should be noted that additional space for adding v (k) in a sub-band p can also be found, by also looking at the amplitude curve in adjacent sub-bands. If a large amplitude of u (k) occurs in an adjacent sub-band while the amplitude of u (k) in the sub-band p is very small or even zero, the masking properties of the signal in this adjacent sub may cause -band decided to allow a certain amount of the signal v (k) in sub-band p.

Verder wordt er nog op gewezen dat aan de uitgang van de kwantisatoren 33(p) een signaal up(k) beschikbaar is dat in principe een geringere kwantiseringsruis bezit dan het signaal s(k) zodat in een van een decoder voorziene ontvanger met behulp van een extra synthesefilter een betere replica van het signaal u(k) van deze uitgangen kan worden afgeleid.It is further pointed out that at the output of the quantizers 33 (p) a signal up (k) is available, which in principle has a smaller quantization noise than the signal s (k), so that in a receiver provided with a decoder using an additional synthesis filter allows a better replica of the signal u (k) from these outputs to be derived.

Claims

Coder for incorporating additional information in the form of an auxiliary signal into a digital audio signal of a predetermined format, characterized in that the coder comprises means for analyzing the digital signal, means for unambiguous quantizing the analyzed digital signal and means for determining the amount of additional information that can be added to the quantized digital signal based on the acoustic properties of the human ear without this additional information being audible in an unmodified detection; from means for summing the additional information and the quantized digital signal into a composite signal and from means for converting the composite signal back into a digital signal of the predetermined format.

A coder according to claim 1, characterized in that the means for analyzing the digital signal comprises analysis filtering means for generating a number of P subband signals in response to the digital signal, said analysis filtering means the frequency band of the digital signal according to dividing a sampling rate reduction filtering method into successive sub-bands with band numbers p (1 <. p <P), wherein for each of the respective sub-bands the means for uniquely quantizing the digital signal and means are provided for summing the respective quantized subband signals and the auxiliary signal for forming P composite subband signals and providing synthesis filter means for constructing a replica of the composite signal in response to the composite subband signals synthesis means the subbands according to a corresponding to the breakdown in the analysis filter means Combine running filter method with sample rate increment.

Coder according to claim 2, characterized in that the auxiliary signal is a digital audio signal and analysis filter means are provided for generating a number of P sub-band signals in response to the auxiliary signal, which analysis filter means define the frequency band of the auxiliary signal dividing a sampling rate-reduction filtering method into successive sub-bands with band numbers p (1 <. p <. p).

Coder according to claim 2 or 3, characterized in that the bandwidths of the sub-bands correspond approximately to the critical bandwidths of the human ear in the respective frequency ranges.

Coder according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the means for unambiguously quantizing the digital signal are arranged for adaptively quantizing this signal and that the size of the quantization step depends on the sub-band. is the sample amplitude of the digital signal, with an exponential relationship having a predetermined base a between the possible successive steps.

Coder according to claim 5, characterized in that the size of the quantization step of a sample to be quantized also depends on the size of at least one previous sample.

Coder according to claim 5 or 6, characterized in that means are provided for attenuating each sub-band signal of the auxiliary signal with a factor G, for which G = 2a / (a-1).

Decoder to be used in conjunction with a coder according to claims 3 to 7, characterized in that the decoder is provided with analysis filter means for generating a number of composite sub-band signals in response to the composite signal, which analysis filter means dividing the frequency band of the composite signal into a successive sub-bands having band numbers p (1 <p <P) according to a sampling frequency-reduction filtering method, the bandwidths of the sub-bands corresponding to those of the analysis filtering means in the transmitter; means for unambiguously quantizing the composite sub-band signals; in means for subtracting the respective quantized sub-band signals from the corresponding sub-band signals from the composite signal to form sub-band difference signals and in synthesis filtering means for constructing a replica of sub-band difference signals in response to the sub-band difference signals the auxiliary signal, which synthesis means combine the sub-bands according to a filter method with sampling frequency increase corresponding to the division in the analysis filter means.

Decoder according to claim 8, characterized in that the means for unambiguously quantizing the digital signal are arranged for adaptively quantizing this signal and that the size of the quantization step depends on the amplitude per sub-band. of sample of the digital signal, wherein between the possible successive steps there is an exponential relationship, with a predetermined base a.

Decoder according to claim 9, characterized in that means are provided for amplifying each sub-band difference signal with factor G, for which G = 2a / (a-1).