CN1126263C - 对声频信号进行数据压缩和扩展的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种数据压缩装置，用于对声频信号进行数据压缩，包括：输入端(1)，接收声频信号；1位A/D转换器(4)，对该声频信号进行A/D转换，以获得位流信号；无损耗编码器(10)，对所述位流信号执行无损耗数据压缩步骤，以获得数据压缩位流信号；和输出端(14)，提供所述数据压缩位流信号。同时，还公开了一种包括所述数据压缩装置的记录装置和发射装置。此外，还公开了一种对所述数据压缩装置提供的数据压缩位流信号进行数据扩展的数据扩展装置，以及包括该数据扩展装置的接收装置。
Description
技术领域
本发明涉及对声频信号进行数据压缩的数据压缩装置、数据压缩方法、包含该数据压缩装置的发射机，包含该数据压缩装置的记录装置、具有在它的磁迹上记录的数据压缩声频信号的记录载体，还涉及对数据压缩声频信号进行数据扩展的数据扩展装置，数据扩展方法，包含该数据扩展装置的接收机，和包含该数据扩展装置的重放装置。
背景技术
在本领域对声频信号的数据压缩是众所周知的。参看EP-A402973，相关文件表中的文件D1。该文件描述了一种子带编码器，用特定的采样频率，比如44.1KHz，对声频信号进行A/D转换，并将比如以24位宽字声频信号的所得采样加到子带分离滤波器。该分离滤波器将宽带数字声频信号分成一组较窄带的子带信号。采用音质的模型，得到了掩音阈值，接着，根据所述的掩音阈值，用每区子带信号的每个样本的特定位数来量化子带信号样本的区，得到了被发射的声频信号的显著数据压缩。进行这种数据压缩是将那些听不见的部分丢弃。因此这是一种有损耗的压缩方法。在文件D1中描述的数据压缩是相当智能的数据压缩方法，当分别以硬、软件实现时需要大量的门或指令，因此是昂贵的。而且，后面的扩展装置当分别用硬件或软件实现时必需要大量的门或指令。
发明内容
本发明的目的是提供一种更简单的对声频信号进行数据压缩的数据压缩装置。同时对应的扩展装置也更简单和便宜。
根据本发明的数据压缩装置包括：
输入装置，用于接收声频信号，
转换装置，对声频信号进行转换，以获得1位位流信号，该转换装置包括∑-Δ调制装置。
无损耗编码装置，对所述位流信号执行基本上无损耗的数据压缩步骤，以获得数据压缩位流信号。
输出装置，用于提供数据压缩位流信号。更具体地说，当声频信号是模拟声频信号时，所述转换装置是以A/D转换装置的形式，对该模拟声频信号进行1位A/D转换，以获得所述位流信号。
本发明是基于下面的认识，可以模拟形式或数字形式将声频信号加入。当对模拟信号进行A/D转换时，根据本发明，采用1位A/D转换器(又称：位流转换器或∑-Δ调制器)，一般用多倍的44.1KHz或48KHz的频率对被A/D转换的声频信号进行采样。该1位A/D转换器的输出信号是二进制信号，称为位流信号。当以数字形式加入声频信号时，以比如44.1KHz的频率采样，比如这些样本表示为每个样16位，用44.1KHz(或48KHz)这样采样频率的多倍频率对该数字声频信号再行附加采样，得到了1位位流信号。
将声频信号转换为一位位流信号具有许多好处，位流转换是一种高质量编码方法。以较简单的译码电路可获高质量译码或低质量译码的可能性。在这方面可参阅在相关文件表中的文件D2，由J.J.Van der Kam写的“用于高保真度信号的模-数转换的数字抽样滤波器”，和在相关文件表中的文件D3，由Kirk C.H.Chao et al，写的“附加抽样A/D转换器的内插调制器的高阶拓扑”。
比如在CD重放机中使用1-位D/A转换器，以便将位流声频信号再转换为模拟声频信号。然而，在CD盘上记录的声频信号不是数据压缩1位位流信号。
在该技术领域中已知，1位A/D转换器输出的位流信号一般地说，是随机信号，具有噪声一样的频谱。对这种信号很难进行数据压缩。
意外的是，确立了使用无损耗编码器，这种可变长度编码器是以Huffman编码器的形式或是算术编码器的形式，不管自1位A/D转换器的位流信号的噪声特性如何，都能获得显著的数据缩减。
附图说明
通过进一步地说明用下面附图表示的实施例，将使本发明的这些和其它方面更为清楚。其中：
图1表示所述数据压缩装置的实施例，
图2a表示1位A/D转换器的输出信号的频谱，图2b表示在较小频率范围的同样输出信号的频谱。
图3表示所述的数据压缩装置，加入到了在记录载体上记录数据压缩位流信号的记录装置中，
图4表示所述的数据压缩装置，加入在经传输媒体发射数据压缩位流信号的发射装置之中，
图5表示所述数据扩展装置的一实施例，
图6表示所述数据扩展装置，加入在自记录载体重放数据压缩位流信号的重放装置之中，
图7表示所述数据扩展装置，加入在自传输媒体接收数据压缩位流信号的接收装置之中，
图8表示所述记录装置的另一实施例，其中还设有纠错编码器和信道编码器，
图9表示所述重放装置的另一实施例，其中还设有信道泽码器和纠错单元，
图10表示所述数据压缩装置的一实施例。其中的无损耗编码器是以算术编码器的形式，
图11表示所述数据扩展装置的一实施例，其中的无损译码器是以算术译码器的形式。
具体实施方式
图1表示所述数据压缩装置的一实施例，包括用于接收声频信号的输入端，在本实施例中，所述声频信号是模拟声频信号。输入端1连接到1位A/D转换器4(又称∑-Δ调制器)的输入2.1位A/D转换器4的输出6连接到数据压缩单元10的输入8。数据压缩单元10的输出12连接到输出端14。
将1位A/D转换器用于对声频信号执行1位A/D转换，以获得供给输出6的位流信号。为此，A/D转换器4经输入16接收等于N·fs的采样频率，其中fs是为比如32KHz，44.1KHz或48KHz的频率，而N是一个大数，比如为64。在A/D转换器4中用比如2.8224MHz(64×44.1KHz)的采样频率对声频信号采样。于是，在A/D转换器的输出6出现的位流信号具有2.8224MHz的位速率。
所述的数据压缩单元10是以无损编码器的形式。无损编码器具有的优点是，它们对声频信号进行数据压缩的方式使得经无损译码器进行数据扩展后，能以基本上无损的方式重放原来的声频信号。这意味着经压缩-扩展后基本上无信息损失。无损编码器可以可变长度编码器的形式，在本领域中可变长度编码器是熟知的。这种可变长度编码器的例子有Huffman编码器。算述编码器和Lempel-Ziv编码器。在这方面可参阅申请：在相关文件表中的文件D4，由D.A.Huffman提出的“最小冗余码的构成方法”；在相关文件表中的文件D5，由G.G Langdon提出的“对算术编码的介绍”；和在相关文件表中的文件D6，由J.Ziv et al提出的“顺序数据压缩的普通算法”。
数据压缩单元10对位流信号执行基本上无损耗的数据压缩步骤，以便在它的输出12获取数据压缩位流信号，将其加到输出端14。
图2a表示，对于以5KHz正弦波的输入，用2.8224MHz的采样频率采样，A/D转换器4的输出6上的位流信号的频谱，该频谱表示在OHz和1.4MHz之间的频率。图2b表示图2a所示频谱的一部分，即在OHz与100KHz之间的部分。以便更清楚地表示在位流信号中包含的5KHz正弦波。清楚可见的是该位流信号的噪声一样的特性，特别是在较高频率区，为像对所述信号进行的数据压缩在数据基本量减缩上没有结果。
与此相反，已做的调查表明可获得显著的数据减缩。在下表中，给出了对于三个不同音乐片段通过三个无损编码器实现的数据压缩的结果：
其中δ是压缩比，定义为编码器的输入信号的位速率对编码器的输出信号的位速率之比。
| 片段 | δ | ||
| Huffman(8b) | Hufmann(16b) | Lempel-Ziv | |
| 波萨诺伐舞曲 | 1.31 | 1.45 | 1.73 |
| 爵士乐 | 1.35 | 1.50 | 1.77 |
| 古典音乐 | 1.38 | 1.59 | 1.86 |
图3表示包括图1所示数据压缩装置的记录装置的一实施例。该记录装置还包括写单元30，用于将数据压缩位流信号写在记录载体32的磁迹上。在本实施例中，记录载体32是磁记录载体，故该写单元30包括至少一个磁头，用于将数据压缩位流信号写在记录载体32上。然而，该记录载体可是一个光记录载体，比如CD盘或DVD盘。
图4表示发射机的一实施例，用于经传输媒体TRM发射声频信号，包括如图1中所示的数据压缩装置。该发射机还包括发射单元40，用于将数据压缩位流信号加到传输媒体TRM中。发射单元40可包括一个天线42。
经传输媒体(比如，射频链路或记录载体)的发送，一般需要对发射的数据压缩位流信号进行纠错编码和信道编码。图8表示，对于图3的记录装置，对数据压缩位流信号执行的这种信号处理步骤。因此图8的记录装置包括本领域熟知的一纠错编码器80和一信道编码器82。
图5表示数据扩展装置的一实施例。该装置具有一输入端50，用于接收如图1的数据压缩装置所提供的以数据压缩位流信号形式的数据压缩声频信号。输入端50连接到数据扩展单元54的输入端52，数据扩展单元54具有一输出56，连接到1位D/A转换器60的输入58。转换器60的输出62连接到输出端64。
该数据扩展单元54是一无损译码器，比如，以Huffman译码器或算术译码器形式的可变长度译码器。这是清楚的，即，为了实现基本无损的编码-译码步骤。图5的数据扩展装置中的译码器应是图1的数据压缩装置中所用的编码器的逆向关系。数据扩展装置54扩展数据压缩位流，以获得原来位流的复制器，将它供给D/A转换器60的输入58。转换器60将该位流转换为模拟声频信号并供给端64。
图6表示加在重放装置中的图5的数据扩展装置。该重放装置还包括读单元，用于自记录载体32上的磁迹读出数据压缩位流信号。在本实施例中。记录载体32是磁记录载体，故读单元70包括至少一个磁头72，用于从记录载体32读出数据压缩位流信号。然而，该记录载体也可是一光记录载体，如CD盘或DVD盘。
图7表示用于经传输媒体TRM接收声频信号的接收机的一实例，包括图5中所示的数据扩展装置。该接收机还包括接收单元75，用于自传输媒体TRM接收数据压缩位流信号。该接收单元75可包括一天线77。
如上所述，经比如射频链路或记录载体等传输媒体的发送，一般需要对发射的数据压缩位流信号执行纠错编码和信道编码，以便在接收时能执行对应的信道译码和纠错。图9表示，对于图6的重放装置，对由读装置70接收的接收信号执行信道译码和纠错的信号处理步骤。因此，图9的重放装置包括本领域熟知的信道译码器90和纠错单元92，以便获得所述数据压缩位流信号的复制品。
在图10中示出了另一数据压缩装置。在图10的数据压缩装置中，将位流信号加到以熵编码器形式的无损编码器(比如算术编码器154)的输入8。同时，该位流信号也是预测滤波器单元152的输入。该预测滤波器152的输出连接到概率判定单元156的输入。算术编码器154响应加到它的输入端192的概率值P将该位流信号编码成数据压缩位流信号。概率判定单元156判定概率值，该概率值表示在由转换单元4提供的位流信号中的一位具有预定逻辑值，比如“1”的概率。将这个图10中用P表示的概率值供给算术编码器154，以便起动在算术编码器154中的位流信号的数据压缩。判定单元156的预测滤波器152的输出信号判定这个概率值。该算术编码器154可对该位流信号一帧一帧地进行数据压缩。
图10的装置的操作如下。预测滤波器152对位流信号实现预测滤波，以获得多位输出信号。该多位输出信号具有例如+3和-3范围之内的一组电平。而且，对于该多位输出信号的值范围中的每个子区间组，确定在位流信号中的对应位，比如为“1”的概率。当该多位输出信号落在一个这种范围时，通过计数在规定的时间间隔中在该位流信号中出现的“1”和“0”的数目，可实现这一目的。然后，将该多位输出信号中取得各种值的概率作为概率信号P连续地给到算术编码器154。由算术编码器154将该数据压缩位流信号加到输出线158，以便经传输媒体TRM或记录载体发送。
图11表示对应的数据扩展装置对经传输媒体TRM接收的数据压缩位流信号进行译码。图11的数据处理装置包括一个熵译码器172，经输入端174接收数据压缩位流信号。在本例中，熵译码器172是以算术译码器的形式，在加到输入176的概率信号P的影响下，对数据压缩位流信号执行算术译码步骤，从而产生供给输出178的原来位流信号的复制品。并将该复制品供给再转换单元60的输入58。
另外，提供概率提供单元用于将概率信号供给算术译码器172。根据在编码器中如何得出概率信号，可以不同的方式获得该概率信号P。一种方式是从预测滤波器181的输出信号以自适应的方式得出该概率信号P。在这个实施例中，预测滤波器181等同于在编码器中的预测滤波器152，而概率提供单元180等同于图10的编码器中的概率判定单元156。另一种产生概率信号P的方式是如下将要描述的，通过采用经传输媒体TRM接收的辅助信息。
可通过图10的装置产生辅助信息用于传输到图11的装置。这种辅助信息可包括一帧一帧地确定的滤波器152的滤波系数，将这些系数发送到在单元180中包含的相应预测滤波器中。
另外，图10的装置可产生描述从预测滤波器152的多位输出信号到概率信号P转换的参数。这些参数也包括在该辅助信息中，并被发送到提供单元180和滤波器181，以便起动根据由预测滤波器181提供的多位输出信号在图11的装置中概率信号P的再生。
在图10的实施例中所用的熵编码器用于使用概率信号编码该位流信号，以获得数据压缩位流信号。一个这种熵编码器是上述的算术编码器。另一类这种熵编码器是，比如，熟知的有限态编码器。在图11的实施例所用的熵译码器用于使用概率信号译码数据压缩位流信号，以获得该位流信号的复制品。一个这种熵译码器是上述的算术译码器。一个另一类这种熵译码器是，比如，已知的有限态译码器。
尽管结合它的最佳实施例描述了本发明，但应理解这些不是限制性的。因此，本领域的技术人员很清楚，如权利要求书所限定的，各种修改都不会离开本发明的范围。当以数字形式加入音频信号时，比如以44.1KHz采样，并将样本以比如16位表示，将转换装置用于比如以64×44.1KHz的频率对数字音频信号进行附加采样，从而获得1位位流信号。
还应指出，还可将本发明应用到一个这种实施例中，其中由转换器4提供的位流信号经受一个附加的信号处理步骤，得出处理的一位位流信号，加到无损编码器10中。这种附加的信号处理步骤可包括以1位位流形式合并立体声音频信号的左和右信号分量。
另外，还在于每个新特征或这些特征的组合。
相关文件清单
(D1)EP-A 402,973(PHN 13.241)
(D2)“对于高保真度信号的模-数转换的数字抽样滤波器”By J.J.Van der Kam in philips.Techn.Rev.42，no.6/7，April 1986，pp.230-8
(D3)“附加抽样A/D转换器的内插调制器的高阶拓扑”by Kirk C.H.Chao et al in IEEE Trans.On Circuits and Systems，Vol 37，no.3，March 1990，pp.309-18
(D4)“最小冗余码的构成方法”，By D.A.Huffman in Proc.of theIRE，Vol.40(10)，September 1952.
(D5)“对算术编码的方法”by G.G.Langdon，IBM J.Res.Develop.，Vol.28(2)，March 1984.
(D6)“顺序数据压缩的普通算法”by J.Ziv et al，IEEE Trans.onInform.Theory，Vol.IT-23，1977.
Claims (29)
1.对声频信号进行数据压缩的一种数据压缩装置，该数据压缩装置包括：
用于接收声频信号的输入装置，
转换装置，对所述声频信号进行转换，以获得1位位流信号，该转换装置包括∑-Δ调制器装置，
无损耗编码装置，对该位流信号进行基本无损耗的数据压缩，以获得数据压缩位流信号，和
输出装置，用于提供数据压缩位流信号。
2.根据权利要求1的数据压缩装置，其中所述声频信号是模拟声频信号，所述转换装置是以A/D转换装置的形式，对所述模拟声频信号进行1位A/D转换，以获得所述位流信号。
3.根据权利要求1或2的数据压缩装置，其中所述的无损耗编码装置包括一个可变长度编码器。
4.根据权利要求3的数据压缩装置，其中所述的可变长度编码器是Huffman编码器。
5.根据权利要求3的数据压缩装置，其中所述的可变长度编码器是算术编码器。
6.一种对声频信号进行数据压缩的数据压缩方法，该数据压缩方法包括步骤：
接收声频信号，
对所述声频信号执行转换，以获得1位位流信号。该转换步骤包括∑-Δ调制步骤，对所述位流信号执行基本无损耗的数据压缩步骤，以获得数据压缩位流信号，并提供该数据压缩位流信号。
7.一种发射机，用于经传输媒体发送声频信号，该发射机包括按照权利要求1-5的任一个的数据压缩装置，其中所述发射机还包括：
发送装置，用于将所述数据压缩位流信号加到传输媒体中。
8.根据权利要求7的发射机，其中还包括纠错编码装置和/或信道编码装置，在将所述数据压缩位流信号加到传输媒体之前对所述数据压缩位流信号进行纠错编码和/或信道编码。
9.一种用于在记录载体上记录声频信号的记录装置，包括按照权利要求1-5的任一个的数据压缩装置，其中所述的记录装置还包括写装置，用于将所述数据压缩位流信号写到记录载体的磁迹上。
10.根据权利要求9的记录装置，其中所述的记录载体是完成磁记录载体。
11.根据权利要求9的记录装置，其中还包括纠错编码装置和/或信道编码装置。在将所述数据压缩位流信号写到记录载体之前对其进行纠错编码和/或信道编码。
12.一种数据扩展装置，用于对数据压缩声频信号进行数据扩展，以获得原来声频信号的复制品，该数据扩展装置包括：
输入装置，用于接收以数据压缩位流信号形式的数据压缩声频信号，
无损耗译码装置，对该数据压缩位流信号执行基本无损耗的数据扩展，以获得位流信号，
D/A转换装置，对所述位流信号进行D/A转换，以获得原声频信号的复制品，
输出装置，用于提供原声频信号的所述复制品。
13.根据权利要求12的数据扩展装置，其中所述的D/A转换装置包括∑-Δ解调器。
14.根据权利要求12或13的数据扩展装置，其中所述的无损耗译码装置包括可变长度译码器。
15.根据权利要求14的数据扩展装置，其中所述的可变长度译码器是一Huffman译码器。
16.根据权利要求14的数据扩展装置，其中所述的可变长度译码器是一算术译码器。
17.一种对数据压缩声频信号进行数据扩展的数据扩展方法，以获得原声频信号的复制品，该数据扩展方法包括步骤：
接收以数据压缩位流信号形式的数据压缩声频信号，
对所述数据压缩位流信号执行基本无损耗的数据扩展步骤，以获得位流信号，
对所述位流信号执行D/A转换，以获得原声频信号的复制品，
提供原声频信号的所述复制品。
18.一种接收机，用于经传输媒体接收声频信号，包括按照权利要求12-16的任一个的数据扩展装置，其中所述接收机还包括接收装置，用于从传输媒体接收所述数据压缩位流信号。
19.根据权利要求18的接收机，其中还包括信道译码装置和/或纠错装置，用于对从传输媒体收取的信号进行信道译码和/或纠错。
20.一种重放装置，用于从记录载体重放声频信号，包括按照权利要求12-16的任一个的数据扩展装置，其中所述的重放装置还包括读出装置，用于从记录载体的磁迹读出所述数据压缩位流信号。
21.根据权利要求20的重放装置，还包括信道译码装置和/或纠错装置，用于对从记录载体读出的信号进行信道译码和/或纠错，以获得所述数据压缩位流信号。
22.一种对声频信号进行数据压缩的数据压缩装置包括：
输入装置，用于接收声频信号；
转换装置，用于对声频信号进行转换，以获得1位位流信号，该转换装置包括：∑-Δ调制器装置；
无损耗编码装置，对所述位流信号执行基本无损耗的数据压缩，以获得数据压缩位流信号；和
输出装置，用于提供所述数据压缩位流信号，所述的无损耗压缩装置包括：
熵编码器，响应概率信号对所述位流信号进行熵编码，以获得所述数据压缩位流信号，
预测滤波装置，对所述位流信号执行预测，以便获得输出信号；和
概率信号确定装置，用于从来自所述预测滤波装置的所述输出信号确定所述概率信号。
23.根据权利要求22的数据压缩装置，其中将该预测滤波装置用于对所述位流信号执行预测滤波操作，以获得多值输出信号，其中所述概率确定装置用于从所述多值输出信号得出所述概率信号。
24.一种对声频信号进行数据压缩的数据压缩方法，该数据压缩方法包括步骤：
接收声频信号，
对所述声频信号进行转换，以获得1位位流信号，该转换步骤包括∑-Δ调制步骤，对所述位流信号执行基本无损耗的数据压缩步骤，以获得数据压缩位流信号，并提供该数据压缩位流信号，所述的无损耗压缩步骤包括子步：
响应概率信号对所述位流信号进行熵编码，以获得所述数据压缩位流信号，
对所述位流信号执行预测，以便获得预测信号，和
从所述预测信号确定所述概率信号。
25.根据权利要求24的数据压缩方法，其中所述的预测步骤包括子步：对所述位流信号执行预测滤波操作，以获得多值输出信号，其中所述的概率确定步骤包括子步：从所述多值输出信号得出所述概率信号。
26.一种数据扩展装置，对数据压缩声频信号进行数据扩展，以获得原声频信号的复制品，该数据扩展装置包括：
输入装置，用于接收以数据压缩位流信号形式的数据压缩声频信号，
无损耗译码装置，对所述数据压缩位流信号执行基本无损耗的数据扩展，以获得位流信号，
D/A转换装置，对所述位流信号进行D/A转换，以获得原声频信号的复制品，
输出装置，用于提供该原声频信号的复制品，其中所述的无损耗译码装置包括：
熵译码器，响应概率信号对所述数据压缩位流信号进行熵译码，
概率信号产生装置，用于提供所述概率信号。
27.根据权利要求26的数据扩展装置，其中所述的熵译码器是算术译码器。
28.一种数据扩展方法，用于对数据压缩声频信号进行数据扩展，以获得原声频信号的复制品，该数据扩展方法包括步骤：
接收以数据压缩位流信号形式的所述数据压缩声频信号，
对所述数据压缩位流信号执行基本无损耗的数据扩展步骤，以获得位流信号，
对所述位流信号进行D/A转换，以获得原声频信号的复制品，
提供原声频信号的所述复制品，其中所述的无损耗译码步骤包括子步：响应概率信号对所述数据压缩位流信号进行熵译码，以获得所述位流信号，并提供所述概率信号。
29.根据权利要求28的数据扩展方法，其中所述的熵译码步骤包括算术译码步骤。
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