CN112151046B - Lc3编码器自适应调节多声道传输码率的方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法、装置及介质，属于蓝牙音频领域。由LC3编码器中的带宽分配协调模块对各声道带宽需求值进行带宽分配。根据当前蓝牙信道的总带宽分配各声道的带宽预算实际值，将当前蓝牙信道的总带宽换算为以帧长为单位的单帧字节数全局分配池，在全局分配池按比例划分各声道的带宽预算实际值。根据当前时域攻击检测结果、LTPF检测到的当前传输码率的大小、和TNS时域噪声整形模块线性预测分析后加权因子结果中的至少一者，选取对各声道分配的带宽的阈值，阈值选取的标准保持不变。本发明有效平衡带宽，提升用户的听觉体验，同时有效利带宽，节约运算量，提高蓝牙耳机的电池续航能力。
Description
技术领域
本发明涉及蓝牙音频领域，尤其是一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法、装置及介质。
背景技术
目前主流的蓝牙音频编码器存在音质一般、电池容量有限、处理器运算能力较差且内存有限、技术封闭等短板，LC3音频编码器其具有较低延迟、较高音质和编码增益以及在蓝牙领域无专利费得优点。在低功耗蓝牙领域，期望移动设备的功耗较低，而音频的码率与占用的空中带宽成正比，且直接影响射频的功耗，较高的码率不仅可以增大收发端的射频功耗和空中干扰，同时也能提高算术编码解码的运算量。
在新一代低功耗蓝牙音频(LEAudio)的应用场景中，多声道传输是其中一个重要的应用，由于单一低功耗音源的物理带宽有限，在一个不考虑动态平衡声道之间带宽的系统中，各声道之间平分有限的带宽，这样一来，有些声道将会获得超越人类听觉掩蔽阈值，浪费了带宽，而与此同时，其他需要更多带宽的声道却由于平均分配机制，不能得到足够的带宽。
发明内容
LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法解决了平均分配带宽造成的带宽浪费、运算量大、功耗高的问题。
为了解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其包括：SNS频域噪声整形模块对频域信号进行处理，评估量化各声道编码带宽需求急迫程度，在SNS频域噪声整形模块后添加带宽分配协调模块，将被评估量化后的各声道带宽需求值在以蓝牙信道总带宽为总预算及阈值的前提下进行调整分配。带宽分配协调模块从数据传输层获知当前蓝牙信道总带宽，换算为以帧长为单位的单帧字节数全局分配池，根据当前声道带宽需求值占当前全部声道带宽需求值的比例在全局分配池按比例划分各声道的带宽预算实际值，根据当前时域攻击检测结果、LTPF检测到的当前传输码率的大小、和TNS时域噪声整形模块线性预测分析后加权因子结果中的至少一者，选取对各声道分配的带宽的阈值，阈值选取的标准保持不变。
本发明采用的另一个技术方案是：提供一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的装置，其包括：用于由LC3编码器中的SNS频域噪声整形模块对频域信号进行处理，从而评估量化音频输出设备各声道的当前编码带宽需求急迫程度的模块；以及用于根据所述各声道的当前编码带宽需求急迫程度，由所述LC3编码器中的带宽分配协调模块对所述各声道进行带宽分配的模块。
在本申请的另一个技术方案中，提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其中计算机指令被操作以执行方案中的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法。
本申请技术方案可以达到的有益效果是：在单一蓝牙低功耗音频发射节点的多个声道之间自动平衡带宽分配，提升用户的听觉体验，同时有效利用带宽，节约运算量，提高蓝牙耳机的电池续航能力。
附图说明
图1为本发明一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法一个实施方式的示意图；
图2为本发明LC3编码器多声道信号传输通路一个实施例的示意图；
图3为本发明SNS频域噪声整形模块评估量化各声道编码带宽需求急迫程度的一个具体实施例的示意图；
图4为本发明带宽分配协调模块调整带宽需求值的一个具体实施例的示意图；
图5为本发明TNS时域噪声整形模块对调整分配后的各声道带宽需求值进行当前帧的谱系数量化一个具体实施例的示意图；
图6为本发明一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率装置另一个实施方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
随着蓝牙音频编码器的快速发展，用户对蓝牙音频编码器的要求水涨船高，而当前蓝牙音频编码器存在音质一般、电池容量有限、处理器运算能力较差且内存有限、技术封闭等短板。
图1所示为本发明一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法一个实施方式的示意图。
在该具体实施方式中，LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法主要包括：经过离散余弦变换后的频域信号在SNS频域噪声整形模块进行处理，SNS频域噪声整形模块经过缩放因子的大小来衡量各声道所需量化的比特数，进而输出对应声道的带宽需求值，带宽分配协调模块用以调整分配输出的带宽需求值，带宽分配协调模块先从数据传输层获知当前蓝牙信道总带宽，换算为以帧长为单位的单帧字节数全局分配池。对各声道输出的带宽需求值进行归一化操作，使全部声道的频谱信号量化后的比特数之和符合当前整体带宽预算以及阈值限制。之后输出分配调整后的各声道带宽值到TNS时域噪声整形模块，根据调整分配后的新带宽值进行当前帧的谱系数量化，算术编码等后续工作，并输出目标长度的帧字节数。
在本发明的一个具体实施例中，带宽评估量化步骤S101还包括，离散余弦变换后的频域信号在SNS频域噪声整形模块进行处理，根据SNS频域噪声整形模块的缩放因子gSNS[Nb]，(其中Nb＝60或64，根据不同的配置规范而定)来获知当前帧的量化噪声等级。
在本发明的另一个具体实施例中，带宽分配协调步骤S102还包括，使带宽分配协调模块分配协调后的全部声道带宽值符合预算公式。
在该具体实施例中，带宽分配协调步骤S102还包括，根据当前时域攻击检测结果、LTPF检测到的当前传输码率的大小、TNS时域噪声整形模块通过对所述当前全部声道带宽需求值加权结果中的至少一者，选取对所述各声道分配的带宽的所述阈值。且在选取对各声道分配的带宽的所述阈值的过程中，对各声道中的每一者选取阈值的标准保持不变。
图2所示为本发明LC3编码器多声道音频传输信号传输通路一个实施例的示意图。
在该具体实施例中，经过离散余弦变换后的频域信号在SNS频域噪声整形模块进行处理，SNS频域噪声整形模块经过评估量化各声道带宽需求值，进而输出对应声道的带宽需求值，输入带宽需求值至带宽分配协调模块，此时的带宽分配协调模块已经从传输层获知当前蓝牙信道总带宽，经过内部分配协调使各声道获得相应的所需带宽，从而达到动态协调分配带宽的目的，最后，分配后的带宽信号输入到TNS时域噪声整形模块，TNS时域噪声整形模块自适应输入信号降低回声，使人耳感受不到噪声的存在。
图3所示为本发明SNS频域噪声整形模块评估量化各声道带宽需求急迫程度的一个具体实施例的示意图。
在现有技术中，SNS频域噪声整形模块，利用人耳的听觉掩蔽效应，对不同子带的频域信号进行缩放，尽量避免由量化产生的量化噪声被人耳感知。
人听觉中的掩蔽效应指人的耳朵只对最明显的声音反应敏感，而对于不明显的声音，反应则较不敏感。一个声音的闻阈值由于另一个声音的出现而提高的效应。前者称为掩蔽音(masking tone)，后者称为被掩蔽声(masked tone)。对于两个纯音来说，最明显的掩蔽效应出现在掩蔽声频率附近，低频纯音能有效地掩蔽高频纯音，而高频纯音对低频纯音的掩蔽效应小。
例如，当左声道有人在说话时，右声道无人说话时，带宽显然应该偏向左声道。在两声道皆无人说话时，每个声道的编码率都可以下调，以节约蓝牙射频的耗电量。
优选的，本发明应用的非均匀量化是一种在输入信号的动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来确定量化比特数。对于信号取值小的区间，其量化比特数也小，当前声道带宽需求值就小；反之，量化比特数大，当前声道带宽需求值就大。
将输入量化器的信号进行压缩处理，再把压缩后的信号进行均匀量化，压缩器就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩，接收端再采用一个与压缩特性相反的扩张器恢复信号。
本发明在SNS频域噪声整形模块根据每个子带频域信号的能量均值评估量化各声道带宽需求值。
在该具体实施例中，对频域信号能量进行均值计算，通过得到的频域信号能量均值评估各声道带宽需求值，经过SNS频域噪声整形模块的量化器进行量化处理。频域信号能量计算公式如下：
在上述公式中，EB(b)表示频域信号能量，X(k)2表示频域信号经过离散余弦变换后对频谱系数的评分，Nb表示子带数量，Ifs表示一个受采样率、帧长、子带数量影响的系数。
对频域信号能量作均值计算得到，若均值较大，则当前声道带宽需求值较大，若均值较小，则当前声道带宽需求值较小。
在该具体实施例中，本发明也可根据SNS频域噪声整形模块的缩放因子gSNS[Nb]，(其中Nb＝60或64，根据不同的配置规范而定)来获知当前帧的量化噪声等级。缩放因子就是一个用来改变在一个缩放因子带的所有的频谱系数的振幅增益值。使用缩放因子这种机制是为了使用非均匀量化器在频域中改变量化噪声的比特分配。
对缩放因子计算，若缩放因子较大，则当前声道带宽需求值较大，若缩放因子较小，则当前声道带宽需求值较小。
以上2种方法均可测定当前声道带宽需求急迫程度，但并不限定在此2种具体方法，只约束在利用LC3编码器既有的中间变量即可，例如根据能量平滑度以及能量是否在指数域均可用于评估当前声道带宽需求急迫程度。
图4所示为本发明带宽分配协调模块调整输入带宽需求值的一个具体实施例的示意图。
带宽分配协调模块从传输层获知当前蓝牙信道的总带宽，换算为以帧长(10ms或7.5ms)为单位的单帧字节数全局分配池，由此得到当前整体带宽预算。
将通过SNS频域噪声整形模块评估量化后的各声道带宽需求值进行归一化操作，使得全部声道的频谱信号量化后的比特数之和符合当前整体带宽预算。
在该具体实施例中，使全部声道带宽值与全局分配池满足以下条件：
……
在上述公式中，Nbytesn预算表示符合当前整体带宽预算的第n个声道新带宽值，Nbytes全局表示当前蓝牙信道的总带宽，即全局分配池，Nbytesn表示SNS频域噪声整形模块评估量化后的当前声道n的带宽需求值。
例如，双声道带宽数与全局分配池满足以下条件：
在上述公式中，Nbytes左表示SNS频域噪声整形模块评估量化后左声道的带宽需求值，Nbytes右表示SNS频域噪声整形模块评估量化后右声道的带宽需求值，Nbytes全局表示当前蓝牙信道的总带宽，即全局分配池，Nbytes左预算表示符合当前整体带宽预算的左声道新带宽值，Nbytes右预算表示符合当前整体带宽预算的右声道新带宽值。
在双声道带宽分配预算中，若取Nbytes左＝50，Nbytes右＝100，设Nbytes全局＝200，通过上述公式计算可得：使得蓝牙信道总带宽根据当前声道带宽需求值作不平均划分，避免Nbytes左预算与Nbytes右预算都为100的情况，造成左声道带宽浪费，右声道带宽不足。
在该具体实施例中，根据当前时域攻击检测结果、LC3编码器的LTPF检测到的当前传输码率的大小、和TNS时域噪声整形模块线性预测后加权因子结果中的至少一者，选取对所述各声道分配的带宽的所述阈值。
1、在时域攻击检测模块中，时域攻击检波器仅对较高比特率和采样率有效(fs≧32000)，具体而言，当且仅当满足以下条件之一时，应进行瞬态检测：
Nms＝10且fs＝32000且nbytes≧80
Nms＝10且fs＝44100且nbytes≧100
Nms＝7.5且fs＝32000且nbytes≧61且nbytes<150
Nms＝7.5且fs＝44100且nbytes≧75且nbytes<150
在上述数据限定式中，Nms表示全局分配池的帧长单位(7.5ms或10ms)，fs表示采样率，nbytes表示比特率。
如果是活动的，瞬态检测器为每一帧输出一个标记Fatt(k)，它取值为1，表示检测到攻击，检测到攻击后进行重采样；当它为0时，表示在该帧中没有检测到攻击，继续进行后续编码工作。如果不激活，Fatt(k)应设置为0。时域攻击检测阈值设定很大程度上减少了恶意攻击，保证编码稳定性。
2、在LTPF模块对高低码率进行阈值限制
在本具体实施例中，控制程序如下：
在上述代码中，Nms表示全局分配池的帧长单位(7.5ms或10ms)，nbits表示当前比特数。取Nms为7.5时，对当前比特数按照对应公式进行四舍五入取整，采样率取(4,(fs/8000-1))中最小的值，根据比特数不同的取值区间确定LTPF增益值。增益最大为0.4，增益最小为0。此处的增益是为了限制分配的带宽不能超出高低码率门限。
3、对TNS时域噪声整形模块线性预测分析后加权因子结果进行阈值限制，满足如下条件：
在上述公式中，Nms表示全局分配池的帧长单位(7.5ms或10ms)，nbits表示当前比特数。根据当前蓝牙信道总带宽对当前比特数进行取值限定，当比特数小于时，加权值值取1，当比特数大于或等于/>时，加权因子取0。当线性预测分析的加权因子为0时，当前输入的比特数被屏蔽；当线性预测分析的加权因子为1时，当前输入的比特数继续进行后续编码工作。此处的线性预测分析及加权是为了减少后续编码工作中的运算量。
包括如上三处的比特数码率需求，为了确保编码过程简单可控，在带宽分配协调模块调整各声道带宽分配值时，保持每声道新带宽值与前一帧的带宽值位于三个模块的同一判决条件内，不超越阈值引起此三个模块变化。为了避免编码第一帧的异常情况，初始化时，各声道的字节实际编码长度可为总带宽的均分值。
图5为本发明TNS时域噪声整形模块对调整分配后输出的各声道带宽值进行当前帧的谱系数量化一个具体实施例的示意图。
输出声道协调后的带宽分配值序列到各声道LC3编码器并继续进行从TNS时域噪声整形模块开始的编码工作。具体的，将频谱量化模块变量gg_off(全局增益偏移)：
在上述公式中，ggoff表示频谱量化模块变量，nbits表示当前比特数，fs ind表示采样率，根据分配后的新比特数进行修正，(nbits＝nbytes*8)。
每声道的LC3编码器将根据新比特数进行当前帧的谱系数量化，算术编码等后续工作，并输出当前声道目标长度的帧字节数，至此完成了单一声道的变码率编码工作，重复此过程进行多个声道即可。全局增益偏移是为了设置放大倍数和偏移量，使其能够自适应于输入信号来降低回声效应，从而使人耳感受不到噪声的存在。
图6为本发明一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率装置另一个实施方式的示意图。
在该具体实施方式中LC3编码器自适应调节多声道传输码率装置主要包括：
带宽评估量化模块，用于由LC3编码器中的SNS频域噪声整形模块对频域信号进行处理，从而评估量化音频输出设备各声道的当前编码带宽需求急迫程度。
带宽分配协调模块，用于根据各声道的当前编码带宽需求急迫程度，由LC3编码器中的带宽分配协调模块对各声道进行带宽分配。
在本发明的一个具体实施例中，带宽评估量化模块经过SNS频域噪声整形模块的量化器对频域信号进行量化得到具体带宽需求值，通过计算缩放因子gSNS[Nb]或每子带能量均值来评估当前声道带宽需求值的高低，本发明包括但并不限定在此2种具体方法，只约束在利用LC3编码器既有的中间变量即可。
本发明应用的非均匀量化是一种在输入信号的动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来确定量化比特数。对于信号取值小的区间，其量化比特数也小，当前声道带宽需求值就小；反之，量化比特大，当前声道带宽需求值就大。
带宽分配协调模块，用于评估量化后各声道带宽需求值调整分配，对各声道带宽需求值调整分配带宽预算实际值以及阈值限制；
在本发明的一个具体实施例中，带宽分配协调模块从传输层获知当前蓝牙信道总带宽，换算为以帧长(10ms或7.5ms)为单位的单帧字节数全局分配池，由此得到当前整体带宽预算。
将通过SNS频域噪声整形模块评估量化后的各声道带宽需求值进行归一化操作，使得全部声道的频谱信号量化后的带宽和符合当前整体带宽预算。
根据当前时域攻击检测结果、LC3编码器的LTPF检测到的当前传输码率的大小、和TNS时域噪声整形模块线性预测分析后加权因子结果中的至少一者，选取对所述各声道分配的带宽的所述阈值。为了确保编码过程简单可控，在声道带宽分配协调模块调整各声道带宽分配值时，保持每声道新带宽值与前一帧的带宽值位于三个模块的同一判决条件内，不超越阈值引起此三个模块变化。为了避免编码第一帧的异常情况，初始化时，各声道的实际编码长度可为总带宽的均分值。
本发明提供的一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率装置，可用于执行上述任一实施例描述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
在本发明的另一个具体实施方式中，一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其特征在于，计算机指令被操作以执行任一实施例描述的LC3音频编码器在多声道音频传输时自适应方法。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其特征在于，
由LC3编码器中的SNS频域噪声整形模块对频域信号进行处理，从而评估量化音频输出设备各声道的当前编码带宽需求急迫程度，其中，计算得到所述当前编码带宽需求急迫程度的方法包括计算缩放因子和计算能量均值；以及
根据所述各声道的当前编码带宽需求急迫程度以及当前蓝牙信道的总带宽，由所述LC3编码器中的带宽分配协调模块对所述各声道进行带宽分配。
2.如权利要求1所述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其特征在于，所述根据所述各声道的当前编码带宽需求急迫程度，由所述LC3编码器中的带宽分配协调模块对所述各声道进行带宽分配的过程包括：
根据当前蓝牙信道的总带宽，由所述带宽分配协调模块分配所述各声道的带宽预算实际值。
3.如权利要求2所述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其特征在于，所述根据当前蓝牙信道的总带宽，由所述带宽分配协调模块分配所述各声道的带宽预算实际值的过程包括：
由所述带宽分配协调模块将所述当前蓝牙信道的总带宽换算为以帧长为单位的单帧字节数全局分配池；以及
根据当前声道带宽需求值占当前全部声道带宽需求值的比例在所述全局分配池按所述比例划分所述各声道的带宽预算实际值。
4.如权利要求1所述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其特征在于，在根据所述各声道的当前编码带宽需求急迫程度，由所述LC3编码器中的带宽分配协调模块对所述各声道进行带宽分配的过程中，对所述各声道分配的带宽具有相应的阈值。
5.如权利要求4所述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其特征在于，根据当前时域攻击检测结果、所述LC3编码器的LTPF检测到的当前传输码率的大小、和所述LC3编码器的TNS时域噪声整形模块线性预测分析后加权因子结果中的至少一者，选取对所述各声道分配的带宽的所述阈值。
6.如权利要求5所述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法，其特征在于，在所述根据当前时域攻击检测结果、所述LC3编码器的LTPF检测到的当前传输码率的大小、和所述LC3编码器的TNS时域噪声整形模块线性预测分析后加权因子结果中的至少一者，选取对所述各声道分配的带宽的所述阈值的过程中，对所述各声道中的每一者选取所述阈值的标准保持不变。
7.一种LC3编码器自适应调节多声道传输码率的装置，其特征在于：
用于由LC3编码器中的SNS频域噪声整形模块对频域信号进行处理，从而评估量化音频输出设备各声道的当前编码带宽需求急迫程度的模块，其中，计算得到所述当前编码带宽需求急迫程度的方法包括计算缩放因子和计算能量均值；以及
用于根据所述各声道的当前编码带宽需求急迫程度以及当前蓝牙信道的总带宽，由所述LC3编码器中的带宽分配协调模块对所述各声道进行带宽分配的模块。
8.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被操作以执行权利要求1-6中任一项所述的LC3编码器自适应调节多声道传输码率的方法。
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