CN100594680C - 数字信息信号的编码和解码方法及设备 - Google Patents

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Abstract

原始数字音频信号表示为PCM采样，其中值之间的距离相应于采样频率。数字信号只具有时间元素整数倍的长度。特别编码的数字音频信号基于块处理，导致总长度只是块单位的整数倍。根据本发明，关于原始信号的精确长度随编码音频信息一起传送。此外，传送代表总的编码器和/或解码器延迟的信息值。解码器取出这些信息项并从解码的节目或录音录像轨迹中切掉样本来调节解码信号的总长度。

Description

数字信息信号的编码和解码方法及设备
技术领域
本发明涉及降低比特率的信号编码和解码的方法和设备，特别是对数字音频信号。
背景技术
模拟音频信号的数字表示有起源于采样过程的时间结构。以PCM格式表示的数字音频信号由一列数值组成，其中，数值之间的距离相应于采样频率。此距离是信号可以在时域中定义的信号最小元素。  数字信号仅有此时间元素长度的整数倍的长度。
降低数字音频信号比特率的编码器和解码器(如MPEG1/2/4-Audio，Dolby Digital Ac-3，mp3，ATRAC，Windows MediaAudio WMA或Real Audio)典型的是用信号的短时频域表示来操作。为了把信号转换到频域，信号元素数组合在一起的典型数目，如，128，256，512，1024和1152，表示为帧或块。然后转换到频域。编码任意长度信号时，典型的音频编码器在音频信号尾部舍弃一部分或填充一些零采样值(填充比特)。结果，任何编码和解码的音频信号是上面提到的最初时间元素的整数倍，即，编码和解码过程要求的帧或块的整数倍。因此，编码和解码的音频信号很少有原始音频信号一样的长度。在编辑音频信号或与精确时间连接时，长度的差异是很麻烦的。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种基于块编码/解码音频信号的方法，此音频信号具有原始任意长度或采样值数量，以便能精确的切断或拼接。
一种编码数字信息信号的方法，所述数字信息信号包括用于特定的节目或轨迹的原始采样值的任意总数，原始采样值的任意数对应所述信号的任意总长度其中，编码操作是基于有关采样值的值块，每一值块包含多个值并代表块长度，其中，输出编码的数字信息信号作为代码，当对应解码时，该代码代表具有相应于所述块长度的多个单位的总长度(N，STI)的解码数字信息信号，其中，
代表原始采样值的任意总长度数(N)的数据项是至少补充一帧编码的数字信息信号输出代码或在编码的数字信息信号中重复排列，其中，
所述代表任意总长度数(N)的数据项用于在所述解码的数字信息信号的结尾处丢弃填充的采样值，以致解码的数字信息信号输出具有所述的任意总长度。
根据本发明，当广播或从存储介质录音或重放时，关于原始信号的精确长度的信息随编码的音频信息一起发送。在编码过程中可用该长度值信息，并将其插入到编码的音频比特流中。  插入是使用MPEG音频标准ISO/IEC 11172-3中定义的辅助数据场进行的。发送的长度信息可有不同的形式：
-节目或录音录像轨迹或编码单位的音频采样的绝对数；
-节目或录音录像轨迹或编码单位的音频帧数，和上一帧的采样数；
-在节目或录音录像轨迹或编码单位的头和/或尾切掉的采样数；
此外，传输表示总的编码器和/或解码器延迟的信息值。
解码器能取出这些信息项并在节目或录音录像轨迹或解码单位输出的起始和/或结尾切掉样本来调整解码信号长度和起点。
本发明可以解码要求与音频或信息信号的原始长度精确匹配的音频或其它信息信号，因此能精确舍弃或填充音频或信息信号。
原理上，本发明的编码方法用于特定的节目或录音录像轨迹有任意个原始采样值，因此，具有任意长度的数字信息信号-如音频信号-，其中，编码操作基于有关采样值的值块，每一值块包含多个值，输出的编码的数字信息信号作为代码，当对应解码时，该代码表示具有相应长度或值块长度的解码的数字信息信号，其中，表示原始采样值任意长度数的数据至少补充一帧编码数字信息信号输出代码的补充帧，例如，编码数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧，或在编码数字信息信号中重复排列。
原理上，本发明的解码方法用于特定的节目或录音录像轨迹具有任意个原始采样值，因此，具有任意长度的编码数字信息信号，如音频信号，其中，解码操作基于有关采样值的值块，每一值块包含多个值，其中，输入的解码数字信息信号作为代码，在解码后该代码代表具有相应于长度或值块长度的多倍单位长度的解码数字信息信号，其中，表示原始采样值任意长度数目代的数据和编码数字信息信号输入码的补充帧，或在编码数字信息信号中重复排列，用于对原始任意长度限制基于解码数字信息信号的总长度的块单位。
原理上，本发明对特定的节目或录音录像轨迹具有任意个原始采样值，因此，具有任意长度的如音频信号的数字信息信号的编码设备，每一值块包含多个值，包括：
编码数字信息信号的装置，其中，编码操作是基于有关采样值的值块，该装置输出编码数字信息信号作为代码，当相应于解码时，该代码代表具有相应于长度或值块长度的多倍单位的总长度的解码数字信息信号；
提供代表原始采样值任意长度数值的数据的装置；
至少补充一帧编码数字信息信号输出代码的装置，数据表示原始采样值任意长度数值，例如编码数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧；
装置，在表示原始采样值任意长度数值的编码数字信息信号数据重复排列。
原理上，本发明对特定的节目或录音录像轨迹具有任意个原始采样值并因此具有任意长度的编码的如音频信号的数字信息信号进行解码的设备，设备包括：
解码编码数字信息信号的装置，基于有关采样值的值块，每一值块包含多个值，其中，输入的编码数字信息信号作为代码，该代码在解码后代表具有相应于长度或值块长度的多倍单位长度的解码数字信息信号；
从编码的数字信息信号代码的帧中提取代表原始采样值任意长度数的数据的装置，如从编码数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧；
装置，为了对任意原始长度限制基于解码数字信息信号总长度的块单位，提供用从任意长度的数据导出的信息解码的装置。
附图说明
本发明的实例参考图例说明显示如下：
图1是具有长度为采样值n的原始音频信号；
图2是解码器输出的音频信号，包括采样值n，编码器/解码器延迟和填充信息；
图3是本发明的编码器和解码器。
具体实施方式
立体声或音频处理中，得到的模拟信号(如，麦克风放大器的输出)用采样和量化定理转换为数字信号。‘采样’指信号的幅度值按一定的间隔取值。时间间隔的倒数值是采样率。根据Nyquist定律或采样理论，如果信号包含的最高频率只是采样率的一半，采样信号的原始内容可无误差的恢复。用于音频处理典型的采样率是44.1kHz和48kHz，它相应的采样间隔或时钟分别是22.67μs和20.83μs。‘量化’是按照量化特性，使幅度值数值的减小能基本上分配给细微分辨的信号采样值。因此，幅度值的分辨率是有限的，相应于反量化值的信息细节的不可消除的损失是不可避免的。例如，16比特幅度值范围为-32768到+32767，称为16-bit量化或16-bit PCM(脉码调制)。双通道音频信号用44.1kHz采样频率采样并用16-bit量化，结果即是以每秒1411200bit作处理。16-bit相当于2字节，这是在典型的计算机或微处理机中容易操作的值。由于基于字节的处理和相对高的采样频率和因此的高时间分辨率，在编辑这些数字音频信号时毫无麻烦的进行切割或插入处理。在传输和储存这些信号时处理高数据量的缺点是明显的。因此应用上述的减少数据的方法，基于心理学-声学规律，此方法执行多余的和不相关的信号分量的压缩。可得到10或更大的数据缩减因数。
如果信号在频域中表示和处理，能更有效的获得数据缩减效应，用短时频率变换(如，短时快速富氏FFT)或称为子带滤波的多频带滤波进入频域。这两种操作的结果是音频信号表示为短时的时间序列譜。在解码器中为了重进入时域分别执行相应的反变换和反子带滤波。
由于计算的简化，通常对具有全部或部分相当于如上所说的2的整数幂长度的输出采样块进行变换，如，128，256，512，1024或1152。在时域中大多数数据缩减编码器和解码器的运作有块重叠。
使用块重叠时，总长度可能值是块长一部分的整数倍，如，块长1.5的整数倍。
在子带编码器中，实现分成如32个频带，同样形成采样值块。如，MPEG Audio Layer3(mp3)编码器使用1152采样值的块长，相应于48kHz采样率的24ms时间间隔。
根据标准规则，合成的编码信号以相应的帧排列，其中帧包含完全信号-依赖的二进制信号。通常这些帧包含具有重要控制信息的部分(如，具有副信息的数据包的头信息)，和具有较少重要性的完全信号-适应的频率系数信息，称为‘主信息’。因为要传送的信息的量依音频信号特征而变化，实际上不能完全放到帧的有限容量中，帧也能包含代表不标准有用信息的部分。这些部分称为瞬时‘辅助数据’并可自由的用于不同的用途。
编码器的一个任务是控制编码，使编码数据的数量正好符合帧，即不超过给定的最大数据速率又能充分使用它。这主要是由调整编码质量来获得的，如量化的优劣度。控制编码器对辅助数据保持所要求的总数据率大小。
在解码时(存储或变换后)在帧/块发生相应的反过程。
使用上述的编码/解码原理时，引起两个特别是严重限制解码声音信号对编辑的使用的问题：
a)由于基于块的短时变换处理，或把信号分裂成频带的滤波器的使用，引入了解码音频信号的延迟。如音频信号在瞬时t0由单个采样值s0组成，在编码和解码后，出现在解码器输出的信号同样由单个采样值s0组成，然而这个采样值不再位于瞬时t0而位移了几百个采样时钟周期。一方面，此编码延迟依赖于边带滤波器的类型或所用传输长度，另一方面，依赖于解码器电路结构或软件。如，在调节适应过程如修正量化步长前解码器需要特定的预处理时间。
b)除了编码器和/或解码器延迟外，基于块的处理导致为所用块长整数倍的解码音频信号的的总长度值与原始总长度不相当。
如果在连续运行传输的线路中使用上述的编码过程，如广播或广播演播室之间的微波连接，基本延迟和块结构不出现严重问题。然而，如果音频信号以编码形式以一定的数据长度(作为‘文件’)存储在数据载体上，在切割和编辑音频信号时，两个问题是特别的不利。与用PCM音频信号获得的近似20μs的短切/编辑时间单位相反，仅时间单位长500或1000倍。因此典型的切和编辑过程仅以有限的形式进行。
为了解决这些问题，假设知道下列：
编码器和解码器的共同结构依赖基本延迟；
编码器输出的音频节目或录音录像轨迹的总长度，如在代表音频信号的PCM文件中的采样数目。
根据本发明的方案，把基本延迟值和总长度值发给解码器。此信号的发送可由任何装置进行，如以分离的文件或通道，然而较好的是与编码数据一起用同样的数据流或数据文件，如作为‘辅助数据’或附加的头文件。
解码器设计为，在解码一定数量(相当与上述的基本延迟量)样本的起点用通常的方法计算但不输出这些样本。
此外解码器设计为，在节目或录音录像轨迹的末尾用通常的方法开始计算音频信号，因此相应于传输信号的总长度，输出的音频信号在它的总长度上是有限的。
附加信息的传输发生在辅助数据区域内，即基本延迟量和总长度。如果需要，应控制编码器使它为附加信息保留足够的数据容量。
关于基本延迟的信息在第一帧或帧的第一批之一中传输。作为可以在起始时被去除的样本的数量来传输是可取的。重复的发送这些信息也是有好处的。
关于总长度值的信息可用不同的方式来发送，在数据流或文件中不同的位置，如作为将从起始计算的末尾去除的样本的数量，或作为在最后数据帧内的有关样本的数量，或作为总长度的绝对样本的数量。这些信息在第一帧或帧的第一批之一或在后面的帧中发送，如最后或最后第二帧。重复发送这些信息也是有好处的。
基本延迟量和/或总长度由数据模式识别先行或启动，并由误差保护数据保护，如CRC检测。
在图1中，音频信号描述为有N个样本长度，N是整数。
在图2中，从解码器输出的音频信号有长度为(ENCDECD+N+STI)样本，其中ENCDECD是基本编码器加解码器的延迟，STI是填充信息(如零幅度样本的数目)，N+STI等于(m*块长)，m是整数，即块或音频编码器和解码器处理所依据的帧长的倍数。从基本编码器和解码器处理延迟量和总长度导出解码音频信号的最后开始和结束时间瞬间，其在数据流或录音录像轨迹的末尾中填充的样本或比特(相当与STI)和相当与在数据流或摄影的起始中的处理延迟ENCDECD都被去除。
图3的左边部分显示发明的编码器，在相应的编码器开窗平台EW中，接收在时域中开窗的、或子带滤波器的原始音频信号，此后在编码平台EWC中用数据缩减来编码。从平台EWC或在比特流格式程序BSF，总长度信号提供给长度信号编码器LIC，它的输出信号在比特流格式程序BSF与平台ENC的频域输出信号结合。此外在比特流格式程序BSF中基本编码器延迟量加到比特流中。
图3的右边部分显示发明的解码器，接收包括总长度信息值或附加的基本编码延迟量的编码音频信号。如果基本编码延迟是固定的和已知的，可以输入它在解码器中作评估。比特流解格式程序BSD抽取并对长度信息评估器LIE提供接收的总长度信息，长度信息评估器LIE对解码器开窗平台DW和/或对解码器平台DEC馈给所要求的总长度信息、可选择的与基本编码延迟信息一起或附加基本解码延迟信息。从其它源提供基本编码延迟信息或基本解码延迟信息给DW和/或DEC。平台DEC对从平台BSD接收的音频信号代码实现主要的解码操作。其后对平台DEC的时域输出信号开窗相应于平台EW上编码器窗口。在子带编码/解码情况中，综合滤波器DW把音频信号从频域转换回到时域。记录单位或广播或有线发送通道在平台BSF和BSD之间通过。
代之数字音频信号，可以处理任何其它信息信号，如数字视频信号。

Claims (22)

1.一种编码(EW，ENC，BSF)数字信息信号的方法，所述数字信息信号包括用于特定的节目或轨迹的原始采样值的任意总数，原始采样值的任意数对应所述信号的任意总长度(N)其中，编码操作(EW，BSF)是基于有关采样值的值块，每一值块包含多个值并代表块长度，其中，输出编码的数字信息信号(EDIS)作为代码，当对应解码时，该代码代表具有相应于所述块长度的多个单位的总长度(N，STI)的解码数字信息信号，其中，
代表原始采样值的任意总长度数(N)的数据项(LIC)是至少补充一帧编码的数字信息信号输出代码或在编码的数字信息信号中重复排列，其中，
所述代表任意总长度数(N)的数据项(LIC)用于在所述解码的数字信息信号(DDIS)的结尾处丢弃填充的采样值，以致解码的数字信息信号输出具有所述的任意总长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：代表由编码操作引起基本延迟(ENCDECD)的附加数据是编码的数字信息信号输出代码的补充帧。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：代表任意总长度数的数据项或根据权利要求2的方法，代表由编码操作引起的基本延迟的数据排列于帧的辅助部分。
4.根据权利他要求1所述的方法，其特征在于所述数字信息信号是音频信号。
5.根据权利他要求1所述的方法，其特征在于所述代表原始采样值的任意总长度数(N)的数据项(LIC)补充的至少一帧是编码的数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧。
6.根据权利他要求2所述的方法，其特征在于有代表所述基本延迟的数据补充的帧是编码的数字信息信号的第一帧或第二帧。
7.根据权利他要求3所述的方法，其特征在于所述代表任意总长数的数据项或代表基本延迟的数据由CRC误差保护，这些数据排列在所述帧的辅助部分。
8.一种解码(BSD，DEC，DW)编码的数字信息信号(EDIS)的方法，所述数字信息信号包括用于特定的节目或轨迹的原始采样值的任意总数，原始采样值的任意数对应所述信号的任意总长度(N)，其中，解码操作(DEC，DW)基于有关采样值的值块，每一值块包含多个值并代表块长，其中，输入编码的数字信息信号(EDIS)作为代码，解码后该代码代表具有相应于块长度的多个单位的总长的解码的数字信息信号(DDIS)，其中，代表原始采样值任意总长度数(N)和至少补充编码的数字信息信号输入代码的一帧或在编码的数字信息信号中重复排列的数据项(LIE)，用于在解码的数字信息信号的结尾处丢弃填充的采样值，以致解码的数字信息信号输出具有任意的总长度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：代表基本编码器延迟(ENCDECD)的附加数据用于从解码的数字信息信号的起始除去相应输出采样值的数目，此附加数据为编码的数字信息信号输入代码的补充帧。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：代表任意总长度数的数据项或根据权利要求9的方法，其中，代表由编码操作引起的基本延迟数据从帧的辅助部分取出，特别在以误差保护形式。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：基本解码器延迟值与代表基本编码器延迟的数据一起用来从解码数字信息信号的起始去除输出采样值相应的数目。
12.根据权利他要求8所述的方法，其特征在于所述数字信息信号是音频信号。
13.根据权利他要求8所述的方法，其特征在于所述代表原始采样值的任意总长度数(N)的数据项(LIC)补充的至少一帧是编码的数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧。
14.根据权利他要求9所述的方法，其特征在于有代表所述基本延迟的数据补充的帧是编码的数字信息信号的第一帧或第二帧。
15.根据权利他要求10所述的方法，其特征在于所述代表任意总长数的数据项或代表基本延迟的数据由CRC误差保护，这些数据排列在所述帧的辅助部分。
16.一种编码数字信息信号(ODIS)的设备，所述数字信息信号包括用于特定的节目或轨迹的原始采样值的任意总数，原始采样值的任意数对应所述信号的任意总长度(N)，设备包括：
装置(EW，ENC)，用于编码数字信息信号，其中，编码操作基于有关采样值的值块，每个值块包括多个值并代表块长，其中，所述装置输出编码的数字信息信号(EDIS)作为代码，当对应解码时，所述代码代表具有相应于块长度的多个单位的总长度(N，STI)的解码的数字信息信号(DDIS)；
装置(LIC)，用于提供表示原始采样值的任意总长度数目(N)的数据项；
装置(BSF)，用代表任意总长度数目的数据项至少补充一帧编码的数字信息信号输出代码或在编码的数字信息信号中重复排列代表总任意长度数目的数据项，其中，
所述代表任意总长度数(N)的数据项(LIC)用于在所述解码的数字信息信号(DDIS)的结尾处丢弃填充的采样值，以致解码的数字信息信号输出具有所述的任意总长度。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于所述数字信息信号是音频信号。
18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于所述代表原始采样值的任意总长度数(N)的数据项(LIC)补充的至少一帧是编码的数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧。
19.一种解码编码的数字信息信号的设备，所述数字信息信号包括用于特定的节目或轨迹的原始采样值的任意总数，原始采样值的任意数对应所述信号的任意总长度(N)，设备包括：
装置，基于有关采样值的值块解码所述编码的数字信息信号，每一值块包含多个值并代表块长，其中，输入编码的数字信息信号(EDIS)作为代码，解码后该代码代表具有相应于块长度的多个单位的总长度的解码的数字信息信号(DDIS)；
装置(BSD)，用于从编码的数字信息信号代码的至少一帧或重复排列在编码的数字信息信号中的数据项中，提取代表原始采样值的任意总长度数目(N)的数据；
装置(LIE)包括装置(DW、DEC)，用于解码从任意长度的数据导出的信息，在解码的数字信息信号的结尾处丢弃填充的采样值，以致解码的数字信息信号输出具有任意的总长度。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于：代表任意总长度数目的数据和代表由编码操作引起基本延迟的数据从帧的辅助部分取出。
21.根据权利要求19所述的设备，其特征在于所述数字信息信号是音频信号。
22.根据权利要求19所述的设备，其特征在于所述代表原始采样值的任意总长度数(N)的数据项(LIC)补充的至少一帧是编码的数字信息信号的最后一帧或倒数第二帧。
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