CN1118048C - 语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，尤指使用比较器及连续逼近法，再加上使用2和3种查找表(量化表、量化临界表等)，可节省运算时间，减少所使用存储器的容量，硬件很简单，储存声音所需的存储器减为24Kbits/sec或更低，可将语音信号编码时达到最有效率的压缩而拨放时不会失真。
Description
技术领域
本发明是关于一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，尤指使用比较器及连续逼近法，再加上使用2和3种查找表(量化表、量化临界表等)，可节省运算时间，减少所使用存储器的容量，硬件很简单，储存声音所需的存储器减为24Kbits/sec或更低，可将语音信号编码时达到最有效率的压缩而播放时不会失真。
背景技术
传统的PCM(Pulse Code Modulaation，脉冲编码调制)码是用于语音信号的编码上，认为各取样值是相互独立、互不相关的。这样取样点的整个振幅编码需要较多位元数，所以数字化后的语音信号频宽大大增加。但是，实际上大部分语音信号源按奈奎斯特取样速率或更高的取样速率进行取样，各取样点值不紧密的依赖性，前后接续的样点值相关性很强，有很大的多余度(Redundancy)。利用讯源的这种相关性，可以传送取样点值之间差值的PCM编码。这样在量化杂讯不变的情况下，使编码的位元数减少，信号频宽大大压缩，这种PCM编码称为差分脉冲编码调制(Differential Pulse Code Modulation，DPCM)。DPCM的缺点为当声音很小声时，杂音很大，当声音很大声时，音质不好；在DPCM方案中，用一预测器来预测下一个预测值，预测器可以是可适性的，相邻两信号之间的差值及量化级差是可适性改变。另一种可适性ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)是使量化级差可适应改变。习知的ADPCM声音产生器例如中国台湾专利公告第119243号(中国台湾专利申请第77102181号，发明名称：ADPCM声音产生器，申请人：财团法人工业技术研究)，其揭露一个声音产生器，包括ADPCM数理逻辑电路、静音再生电路、音节重复控制电路及只读存储器。此种声音产生器经由ADPCM处理技术，可将储存声音所需的存储器减少至32Kbits/sec，再由静音消除及再生技术将存储器减为20-26Kbits/sec，对于一些动物的声音，因其音节的重复性，则存储器可缩小，然此份专利技术与本发明比较下，习知技术的电路复杂，所使用的存储器仍很大。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种语音编码的快速应用差脉冲编码调制方法(quick adaptive differential pulse code modulation ofvoice coding)，使用比较器(comparator)及连续逼近法(successive approach method，SAM)，再加上使用2或3种查找表(look-uptable，如量化表、量化临界表等)，可节省运算时间，减少所使用存储器的容量，硬件很简单，储存声音所需的存储器减为24Kbits/sec，可将语音信号编码时达到最有效率的压缩而拨放时不会失真。
本发明的次一目的是提供一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，在进行连续逼近法时，其使用单一比较器进行量化值与连续逼近法的上一个量化值比较，硬件很简单。
本发明的再一目的是提供一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，所使用的连续逼近法是使用对分查找(binary search)的方法，查找快速方便。
本发明的又一目的是提供一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，在编码时，所使用的量化表可为线性(linear)或非线性(nonlinear)量化表，非线性量化表是使用log函数的量化表(quantization table)。
本发明一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，其特征在于包括下列步骤：
A.初始化；
B.对一取样点编码且储存编码值，编码是使用量化表、量化临界表及连续逼近法；
其中步骤(B)包含下列步骤：
步骤22：启始化，DA→D/A，0→EN，1002(二进位)→SM，将DA值存入D/A，将0存入EN，再将1002存入SM；
步骤23利用比较器(图4中者)将V1与D/A比较；若D/A＞VI，则进行至步骤241，若D/A＜VI，则进行至步骤251；
步骤241：C(DA-QTT[Q1][EN+SM])→D/A，即将DA值减少QTT[QI][EN+SM]后，再取限幅函数(Clipping function)的函数值，存入D/A；
步骤242：VI与D/A比较，若VI＜D/A，则进行至步骤243，EN＝EN+SM，将EN加上SM再存入EN；接著进行至步骤244；若VI＞D/A，则进行至步骤244；
步骤244：SM右移一位元，再进行至步骤245，即将SM的值除以2，再进行至步骤245；
步骤245：判定SM是否等于0，若SM等于0，表示已迫进到最接近的量化值，进行至步骤246；否则进行步骤241；
步骤246：本步骤是用来合成还原后资料，用以作为下次储存编码的依据，其动作是储存EN及负号，DA＝C(DA-QT[QI][EN]，QI＝NT[QI][EN])，其中“1”是代表向下发展。此步骤是将DA值减去QT[QI][EN]后，再取限幅函数(Clipping function)的函数值存入DA，及将NT[QI][EN]的值存入QI，再进行至步骤26返回；
步骤251：C(DA+QTT[Q1][EN+SM])→D/A，即将DA值加上QTT[QI][EN+SM]后，再取限幅函数(Clipping function)的函数值，存入D/A；
步骤252：VI与D/A比较，若VI＞D/A，则进行至步骤253，EN＝EN+SM，将EN加上SM再存入EN；接著进行至步骤254；若VI＜D/A，则进行至步骤254；
步骤254：SM右移一位元，再进行至步骤255，即将SM的值除以2，再进行至步骤245；
步骤255：判定SM是否等于0，若SM等于0，表示已迫进到最接近的量化值，进行至步骤256；若SM不等于0，则进行步骤251；
步骤256：储存EN及正号(即压缩资料)，DA＝C(DA-QT[QI][EN]，QI＝NT[QI][EN])：即将DA值加上QT[QI][EN]后，再取限幅函数(Clipping func tion)的函数值存入DA，及将NT[QI][EN]的值存入QI，再进行至步骤26返回；
C.继续录音编码？若是，则回复至步骤(B)，若不是则结束；及
D.然后以量化临界表(QTT[Q])最终结果为主再加上正负(方向)位元(sign bit)为压缩后的资料存之。
其中步骤(B)的连续逼近法是对分查找法。
附图说明
为进一步说明本发明的目的和特征以及所能达成的功效，以下结合附图对本发本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的语音信号的时间函数图。
图2A及图2B为本发明一具体实例中以log函数的量化表的图形，此图形为8×8的log函数的量化表函数图。
图3为本发明一具体实例的量化表。
图4为本发明的比较器电路的示意图。
图5为本发明的语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法的流程图。
图6为本发明的图5的流程图中一对取样点编码且储存编码值步骤的流程图。
图7为本发明的图3量化表为基础一具体实例的量化临界表(quantizationthreshold table)的示意图。
具体实施方式
发明的详细说明：
请参阅图1所示，本发明语音编码的语音信号以PCM的方式定时取样，在t1时假设振幅为-0.1，在t2时振幅为0.1，两信号的差值为0.2，此0.2的差值利用连续逼近法查图2A及图2B的量化表假设为Q1的索引2数值，也就是QI为Q1，i为2，将此Q1及I的值编码；在t3时振幅为0.9，两信号的差值为0.8，此0.8的差值利用连续逼近及下一个量化索引表查出为Q5的索引3的数值，编码量化表为Q5，i为3或者以量化临界表QTT的值及索引来编码，此方法即是本发明的快速适应差分脉冲编码调制方法。
图2A及图2B为本发明一具体实施例中以log函数的量化表的图形，此图形为8×8的log函数的量化表函数图。从Q0至Q7共有8个log量化表。
本发明的语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，其包括有(图5、图6)：
(A)启始化1，其中，Qindex＝0，Dacvalue＝80H；
(B)对一取样点编码且储存编码值2，编码是使用量化表、量化临界表及连续逼近法(successive approach method)；在本发明一具体实例中，所使用的连续逼近法中对分查找法；
(C)继续录音编码3？若是，则回复至步骤(B)，若不是则结束4；
(D)然后以量化临界表(QTT[Q])最终结果为主再加上正负(方向)位元(sign bit)为压缩后的资料存之。
上述步骤(B)对一取样点编码且储存编码值2的步骤包括有：
步骤22：初始化，DA→D/A，0→EN，1002(二进位)→SM，将DA值存入D/A，将0存入EN，再将1002存入SM；
步骤23利用比较器(图4中者)将V1与D/A比较；若D/A＞VI，则进行至步骤241，若D/A＜VI，则进行至步骤251；
步骤241：C(DA-QTT[Q1][EN+SM])→D/A，即将DA值减少QTT[QI][EN+SM]后，再取限幅函数(Clipping function)的函数值，存入D/A；
步骤242：VI与D/A比较，若VI＜D/A，则进行至步骤243，EN＝EN+SM，将EN加上SM再存入EN；接著进行至步骤244；若VI＞D/A，则进行至步骤244；
步骤244：SM右移一位元，再进行至步骤245，即将SM的值除以2，再进行至步骤245；
步骤245：判定SM是否等于0，若SM等于0，表示已迫进到最接近的量化值，进行至步骤246；否则进行步骤241；
步骤246：本步骤是用来合成还原后资料，用以作为下次储存编码的依据，其动作是储存EN及负号，DA＝C(DA-QT[QI][EN]，QI＝NT[QI][EN])，其中“I”是代表向下发展。此步骤是将DA值减去QT[QI][EN]后，再取限幅函数(Clipping function)的函数值存入DA，及将NT[QI][EN]的值存入QI，再进行至步骤26返回；
步骤251：C(DA+QTT[Q1][EN+SM])→D/A，即将DA值加上QTT[QI][EN+SM]后，再取限幅函数(Clipping function)的函数值，存入D/A；
步骤252：VI与D/A比较，若VI＞D/A，则进行至步骤253，EN＝EN+SM，将EN加上SM再存入EN；接著进行至步骤254；若VI＜D/A，则进行至步骤254；
步骤254：SM右移一位元，再进行至步骤255，即将SM的值除以2，再进行至步骤245；
步骤255：判定SM是否等于0，若SM等于0，表示已迫进到最接近的量化值，进行至步骤256；若SM不等于0，则进行步骤251；
步骤256：储存EN及正号(即压缩资料)，DA＝C(DA-QT[QI][EN]，QI＝NT[QI][EN]：即将DA值加上QT[QI][EN]后，再取限幅函数(Clipping func tion)的函数值存入DA，及将NT[QI][EN]的值存入QI，再进行至步骤26返回；
步骤26：返回；上述所有运算皆可在微控制器内进行。
上述变数简写：
Qindex：QI：用来代表第QI个固量化表
Quantizdtion Table：QT[]：量化表化
Encoded Value：EN：编码值
Dac Value：DA：Dac值
Shift Mask：SM(又称SAR)：位移屏罩
Vin：VI：输入电压
Quantization Threshold Table：QTT[]；量化临界表；QTT[N][0]；QTT[N][i]＝INT(QT[N][I-1]+QT[N][i]/2)，N＝1-7；I＝1-7；INT()是四舍五入函数；
Next Quantization Index Table：NT[]：下一个量化索引表
Clipping function：C[]：限幅函数：假设是8位元系统，当Vin≥255，C[Vin]＝255；当Vin≤0，C[Vin]＝0。
图4显示本发明在步骤(23)、(242)、(252)将VI与D/A比较的电路图。图中，Vin输入电压信号，其连接至比较器51的Vin输入端511，而D/A暂存器52存入D/A值，D/A暂存器52的D/A电压值输入至比较器51的另一D/A输入端512，将Vin与D/A比较后，比较结果经由此较结果输出端513输出至微控制器。
图7是本发明所使用量化临界表的示意图，量化表(QT[QI][i]，i＝0，1，2，3，...7)中611、612、613、614、615、616、617、618内容值0.1、0.2、0.4、0.6、0.9、1.3、1.9、2.8是取自图3的量化表索引(index)1、2、3、4、5、6、7、8的量化值，711的内容值(QT[QI][i]，i＝0，1，2，3，...)等于611内容值(0.1)加上612内容值(0.2)除以2(等于0.15)，同理，712内容值等于612内容值(0.2)加上613内容值(0.4)除以2(等于0.3)；713内容值等于613内容值(0.4)加上614内容值(0.6)除以2(等于0.5)；714内容值等于614内容值(0.6)加上615内容值(0.9)除以2(等于0.75)...，利用量化临界表(QTT[QI][i])，当进行对分查找法时，与Vin比较大小；如果Vi应在QTT[QI][i]的右边，则往QTT[QI][i]的右边找，反之如果Vi应在QTT[QI][i]左边，则往QTT[QI][i]的左边找，可利用量化临界表快速查出找寻到QI及i。
Claims (2)
1、一种语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，其特征在于包括下列步骤：
A.初始化；
B.对一取样点编码且储存编码值，编码是使用量化表、量化临界表及连续逼近法；
其中步骤(B)包含下列步骤：
步骤22：初始化，DA→D/A，0→EN，1002→SM，将DA值存入D/A，将0存入EN，再将二进位数1002存入SM；
步骤23利用比较器将V1与D/A比较；若D/A＞VI，则进行至步骤241，若D/A＜VI，则进行至步骤251；
步骤241：C(DA-QTT[Q1][EN+SM])→D/A，即将DA值减少QTT[QI][EN+SM]后，再取限幅函数的函数值，存入D/A；
步骤242：VI与D/A比较，若VI＜D/A，则进行至步骤243，EN＝EN+SM，将EN加上SM再存入EN；接着进行至步骤244；若VI＞D/A，则进行至步骤244；
步骤244：SM右移一位元，再进行至步骤245，即将SM的值除以2，再进行至步骤245；
步骤245：判定SM是否等于0，若SM等于0，表示已迫进到最接近的量化值，进行至步骤246；否则进行步骤241；
步骤246：本步骤是用来合成还原后资料，用以作为下次储存编码的依据，其动作是储存EN及负号，DA＝C(DA-QT[QI][EN]，QI＝NT[QI][EN])，其中“1”是代表向下发展，此步骤是将DA值减去QT[QI][EN]后，再取限幅函数的函数值存入DA，及将NT[QI][EN]的值存入QI，再进行至步骤26返回；
步骤251：C(DA+QTT[Q1][EN+SM])→D/A，即将DA值加上QTT[QI][EN+SM]后，再取限幅函数的函数值，存入D/A；
步骤252：VI与D/A比较，若VI＞D/A，则进行至步骤253，EN＝EN+SM，将EN加上SM再存入EN；接著进行至步骤254；若VI＜D/A，则进行至步骤254；
步骤254：SM右移一位元，再进行至步骤255，即将SM的值除以2，再进行至步骤245；
步骤255：判定SM是否等于0，若SM等于0，表示已迫进到最接近的量化值，进行至步骤256；若SM不等于0，则进行步骤251；
步骤256：储存EN及正号，DA＝C(DA-QT[QI][EN]，QI＝NT[QI][EN])：即将DA值加上QT[QI][EN]后，再取限幅函数的函数值存入DA，及将NT[QI][EN]的值存入QI，再进行至步骤26返回；
步骤26：结束；
C.继续录音编码？若是，则回复至步骤(B)，若不是则结束；及
D.然后以量化临界表最终结果为主再加上正负方向位元为压缩后的资料存之。
2、如权利要求1所述的语音编码的快速适应差分脉冲编码调制方法，其特征在于，其中步骤(B)的连续逼近法是对分查找法。
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