CN1152216A - 数字数据编码装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明按指定的采样数分块的数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据。指定的块数的系数数据存储到缓冲器中。系数数据按块从缓冲器中输入浮点变换电路，系数数据分割到各频带包含1个或多个系统数据的多个频带中。系数数据按频带进行浮点变换，对于包含在各频带中的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在各频带中的系数数据的数相等的尾数部数据。频带共同指数部数据和尾数部数据都存储到存储器内。指定的块数的频带共同指数部数据按频带从存储器中读出。

Description

数字数据编码装置及其方法
本发明涉及数字数据编码装置及其方法，特别是将数字声音数据高效率地进行编码的数字数据编码装置及其方法。
作为用于声音数据的信息量压缩的高效率编码方法，有将声音数据在时间轴上分割为多个频带(sub-band)进行编码的频带分割编码(sub-band coding)方法和将声音数据进行正交变换，变换为频率轴上的数据后分割为多个频带进行编码的变换编码(transform coding)方法。另外，还有将这两个方法组合，将声音数据在时间轴上分割为多个频带后将各频带信号进行正交变换，变换为频率轴上的数据后进行编码的高效率编码方法。
作为一个例子，说明使用改进的离散余弦变换(MDCT：ModifiedDiscrete Cosine Transform)的变换编码方法。
编码的数字声音数据，按每512采样进行分块，以使前一块的后半部的数据与当前块的前半部的数据为相同的数据(进行所谓的50％重叠处理)。另外，数字声音数据按块进行开窗处理(加权处理)。
经过分块的数字声音数据按块进行改进的离散余弦变换，变换为256个改进的离散余弦变换系数数据(即频率轴上的数据)。以后，将改进的离散余弦变换系数数据称为MDCT系数数据。
256个MDCT系数数据分别进行浮点变换，变换为指数部数据和尾数部数据，为了进行数据压缩，只将低频的240个MDCT系数数据进行浮点变换。这时，低频的240个MDCT系数数据分割到各频带包含1个或多个MDCT系数数据的多个频带中，对于1个频带，变换为1个指数部数据(频带共同指数部数据)和至少1个尾数部数据。
尾数部数据变换为由与根据频带共同指数部数据确定的量化位长相等的位数构成的尾数部量化数据。即，例如尾数部数据为“1100101”，当确定的量化位长为“4”时，尾数部数据“1100101”根据MSB就变换为仅由4位的位(即“1100”)构成的尾数部量化数据“1100”。频带共同指数部数据和尾数部量化数据存储在记录媒体上，通过传输线路进行传送。
但是，在上述变换编码方法中，由于按各块生成频带共同指数部数据和尾数部量化数据，所以，例如当在块间频带共同指数部数据的相关度大时等情况下，就还有提高数据压缩的效率的余地。
本发明的目的旨在提供可以将数字数据高效率地编码的数字数据编码装置及其方法。
本发明的第1数字数据编码装置是一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码装置，其特征在于：具有将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的系数数据作成装置；存储指定的块数的上述系数数据的缓冲器；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的浮点变换装置；存储上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据的存储器。上述浮点变换装置按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据，按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据。
本发明的第2数字数据编码装置是一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码装置，其特征在于：具有将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的系数数据作成装置；存储指定的块数的上述系数数据的缓冲器；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的浮点变换装置；存储上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据的存储器。上述浮点变换装置按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据，仅当上述作成的块共同指数部数据与上述读出的上述指定的块数的频带共同指数部数据之差的至少一个小于指定的值时才按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据。
本发明的第1数字数据编码方法是一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码方法，其特征在于：包括将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的步骤；将指定的块数的上述系数数据存储到缓冲器中的步骤；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的步骤；将上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据存储到存储器中的步骤；按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据的步骤；按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据的步骤。
本发明的第2数字数据编码方法是一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码方法，其特征在于：包括将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的步骤；将指定的块数的上述系数数据存储到缓冲器中的步骤；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的步骤；将上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据存储到存储器中的步骤；按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据的步骤；仅当上述作成的块共同指数部数据与上述读出的上述指定的块数的频带共同指数部数据之差的至少一个小于指定的值时才按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据的步骤。
图1是本发明的数字数据编码装置的第1实施例的数字声音数据编码装置的框图。
图2是用于说明频带的图。
如图1所示，本发明的数字数据编码装置的第1实施例的数字声音数据编码装置具有数字声音数据输入端子9、开窗电路10、改进的离散余弦变换电路11(以后，称为“MDCT电路11”)、缓冲电路12、浮点变换电路13、存储器21、位分配电路14、量化电路15、块共同指数部数据输出端子16和尾数部量化数据输出端子17。
例如，数字声音数据从小型唱机(CDP)等输入数字声音数据输入端子9。数字声音数据在开窗电路10中，按每512采样进行分块。这时，数字声音数据的分块进行为使前一块的后半部的数据与当前块的前半部的数据成为相同的数据(所谓的50％重叠处理)。此外，数字声音数据在开窗电路10中还按块进行开窗处理(加权处理)。
经过开窗处理的数字声音数据在MDCT电路11中按块通过进行改进的离散余弦变换，变换为256个MDCT系数数据(即频率轴上的数据)。从MDCT电路11输出的MDCT系数数据保持在缓冲电路12中，但是，在256个MDCT系数数据中高频的MDCT系数数据不是特别需要，所以，只有低频的240个MDCT系数数据保持在缓冲电路12中。在缓冲电路12中保持3块的MDCT系数数据。即，如果用n(n＝0，1，2)，用i(i＝0，1，2，…，239)表示频率时，则保持在缓冲电路12中的MDCT系数数据可以用MDCT[n][i]表示。n＝2表示最初保持在缓冲电路12中的块，n＝0表示最后保持在缓冲电路12中的块。另外，i＝0表示频率为0，i越大，频率越高。
保持在缓冲电路12中的MDCT系数数据按块输入浮点变换电路13，进行浮点变换。这时的浮点变换处理按如下方式进行。
(a)如图2所示，240个MDCT系数数据从0频率开始顺序分割为1个频带内的MDCT系数数据的个数为1个的16个频带、1个频带内的MDCT系数数据的个数为2个的16个频带、1个频带内的MDCT系数数据的个数为4个的16个频带、1个频带内的MDCT系数数据的个数为8个的16个频带。
(b)对于1个频带内的MDCT系数数据的个数为1个的16个频带，各MDCT系数数据直接进行浮点变换，变换为1个指数部数据和1个尾数部数据。得到的指数部数据和尾数数据存储到存储器21内。
(c)对于其他频带，检测在1个频带内存在的多个MDCT系数数据的绝对值最大的MDCT系数数据。检测出的MDCT系数数据变换为用下式(1)表示的浮点数据F。
F＝M×2-N    (1)其中，M：尾数部数据。0.5≤M＜1，-1≤M＜-0.5
  N：指数部数据。N为正整数。
在1个频带内存在的其他MDCT系数数据用浮点数据F的指数部2-N相除，相除的结果作为尾数部数据。这样，对于1个频带，便可计算出1个指数部数据N(频带共同指数部数据)和个数与在1个频带内存在的MDCT系数数据的个数相等的尾数部数据M。得到的频带共同指数部数据和尾数部数据都存储到存储器21内。
如果用n(n＝0，1，2)表示块，用k(k＝0，1，2，…，63)表示频带，则按上述方式进行过浮点变换处理的MDCT系数数据的频带共同指数部数据可以有MEXP[n][k]表示。其中，k＝0表示包含0频率(i＝0)的频带，k越大表示包含越高频率的频带。
然后，按如下方式生成对3个块共同的指数部数据(块共同指数部数据)。按频带读出存储在存储器21内的3个块的MDCT系数数据的频带共同指数部数据MEXP[n][k]，将最小值的频带共同指数部数据MEXP[n][k]作为各频带的块共同指数部数据CMEXP[k]。即，对于最初的频带k＝0，从存储器21中读出3个块的MDCT系数数据的频带共同指数部数据MEXP[0][0]，MEXP[1][0]，MEXP[2][0]。在这3个频带共同指数部数据MEXP[0][0]，MEXP[1][0]，MEXP[2][0]中，当频带共同指数部数据MEXP[2][0]是最小值时，就将最小值的频带共同指数部数据MEXP[2][0]作为该频带k＝0的块共同指数部数据CMEXP[0]。
然后，使用块共同指数部数据CMEXP[k]按如下方式重新计算3个块的MDCT系数数据的尾数部数据。如果用MAN[n][i](n＝0，1，2；i＝0，1，2，…，239)表示新的尾数部数据，则可利用下式求出新的尾数部数据MAN[n][i]。
MAN[n][i]＝MDCT[n][i]/2-CMEXP[k]  (2)
即，对于最初的频带k＝0，使用该频带的MDCT系数数据MDCT[0][0]，MDCT[1][0]，MDCT[2][0]和该频带的块共同指数部数据CMEXP[0]，可以利用下式得到新的尾数部数据MAN[0][0]，MAN[1][0]，MAN[2][0]。
MAN[0][0]＝MDCT[0][0]/2-CMEXP[0]
MAN[1][0]＝MDCT[1][0]/2-CMEXP[k]    (3)
MAN[2][0]＝MDCT[2][0]/2-CMEXP[k]
在3个块的MDCT系数数据的频带共同指数部数据MEXP[n][k]中，由于将最小值的作为块共同指数部数据CMEXP[k]，所以，利用上述(2)式得到的新的尾数部数据MAN[n][i]不会成为大于1的值或小于-1的值。
在位分配电路14中，使用从浮点变换电路23输入的块共同指数部数据CMEXP[k]，利用人的听觉屏蔽特性等确定尾数部数据的量化位长L。确定的量化位长L输入量化电路15。
在量化电路15中，从浮点变换电路13输入的新的尾数部数据MAN[n][i]根据MSB变换为由量化位长L的位数构成的尾数部量化数据。这时，如上所述，由于块共同指数部数据CMEXP[k]对于3个块是共同的，所以，量化位长L也可以在3个块中共同使用。即，例如，最初的频带k＝0的3个块的新的尾数部数据MAN[0][0]，MAN[1][0]，MAN[2][0]分别为“1100”，“0010”，“1001”，设确定的量化位长L为“2”，则新的尾数部数据MAN[0][0]，MAN[1][0]，MAN[2][0]根据MSB分别变换为仅由2位的位构成的尾数部量化数据“11”，“00”，“10”。
从浮点变换电路13输出的块共同指数部数据CMEXP[k]从块共同指数部数据输出端子16向外部输出，从量化电路15输出的尾数部量化数据从尾数部量化数据输出端子17向外部输出。块共同指数部数据CMEXP[k]和尾数部量化数据存储到记录媒体上，通过传输线路进行传送。
下面，说明本发明的数字数据编码装置的第2实施例的数字声音数据编码装置。
在上述第1实施例的数字声音数据编码装置中，通过作成块共同指数部数据CMEXP[k]可以减少信息量(数据压缩)，但是，当块共同指数部数据CMEXP[k]与频带共同指数部数据MEXP[n][k]之差大时，有时利用上述(2)式得到的新的尾数部数据MAN[n][i]的值便接近于0。这时，由于在量化电路15中作成的尾数部量化数据根据新的尾数部数据MAN[n][i]的MSB由量化位长L的位数构成，所以，当新的尾数部数据MAN[n][i]的值解决于0时，量化误差便增大。
为了避免这样的量化误差的增大，在本实施例的数字声音数据编码装置中，当块共同指数部数据CMEXP[k]与频带共同指数部数据MEXP[n][k]之差大于指定的值时，就不作成块共同指数部数据CMEXP[k]，直接使用3个频带共同指数部数据MEXP[0][k]，MEXP[1][k]，MEXP[2][k]。上述指定的值按如下方式求出。
对于3个块，分别利用下式计算MDCT系数数据MDCT[n][i]的平方和S[n]。 S [ n ] = Σ i = 0 239 ( MDCT [ n ] [ i ] × MDCT [ n ] [ i ] ) - - - - - - ( 4 )
然后，利用下式计算3个块的平方和S[0]，S[1]，S[2]的平均值AS。 AS = Σ n = 0 2 S [ n ] / 3 - - - - - - ( 5 )
然后，利用下式计算3个块的平方和S[n]与平均值AS之比RS[n]。
RS[n]＝S[n]/RS    (6)当得到的3个比值RS[n]中的至少1个具有大于256或小于1/256的值时，就不作成块共同指数部数据CMEXP[k]，直接使用3个频带共同指数部数据MEXP[0][k]，MEXP[1][k]，MEXP[2][k]。
在上述例子中，当3个块的MDCT系数数据MDCT[n][i]的平均值中的至少1个比3个块全体的MDCT系数数据MDCT[n][i]的平均值大于16倍或小于1/16倍时，就不作成块共同指数部数据CMEXP[k]，直接使用3个频带共同指数部数据MEXP[0][k]，MEXP[1][k]，MEXP[2][k]。这一16的数值换算为指数部数据时，相当于4，对于块共同指数部数据CMEXP[k]，意味着各块的指数部数据求平均后有4以上的差。
另外，在上述例子中，当3个比值RS[n]中的至少1个具有大于256或小于1/256的值时，就不作成块共同指数部数据CMEXP[k]，直接使用3个频带共同指数部数据MEXP[0][k]，MEXP[1][k]，MEXP[2][k]。但是，即使如此，如果尾数部数据的量化误差大即在译码器中的再生音质发生恶化，也可以使用小于256的值。相反，如果在译码器中可以获得足够好的再生音质，就可以使用大于256的值。
在上述说明中，在(1)式中将浮点数据F表为M×2-N，但是，也可以表为M×r-N(其中，r是大于3的整数)。另外，是按3个块进行编码的，但是，也可以按2个或4个以上的块进行编码。另外，是按频带作成块共同指数部数据的，但是，也可以按采样作成块共同指数部数据。另外，是对数字声音数据进行编码的，但是，用可以对其他数字数据进行编码。

Claims (12)

1.一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码装置，其特征在于：具有将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的系数数据作成装置；存储指定的块数的上述系数数据的缓冲器；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的浮点变换装置；存储上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据的存储器，上述浮点变换装置按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据，按述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据。
2.如权利要求1所述的数字数据编码装置，其特征在于：上述数字数据是数字声音数据，上述系数数据作成装置将上述数字数据按块进行改进的离散余弦变换，作成上述每一频率的系数数据。
3.如权利要求1所述的数字数据编码装置，其特征在于：浮点变换装置分割上述输入的系数数据，以使频率越大的频带包含的系数数据越多。
4.一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码装置，其特征在于：具有将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的系数数据作成装置；存储指定的块数的上述系数数据的缓冲器；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的浮点变换装置；存储上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据的存储器，上述浮点变换装置按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据，仅当上述作成的块共同指数部数据与上述读出的上述指定的块数的频带共同指数部数据之差的至少一个小于指定的值时才按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据。
5.如权利要求4所述的数字数据编码装置，其特征在于：上述数字数据是数字声音数据，上述系数数据作成装置将上述数字数据按块进行改进的离散余弦变换，作成上述每一频率的系数数据。
6.如权利要求4所述的数字数据编码装置，其特征在于：浮点变换装置分割上述输入的系数数据，以使频率越大的频带包含的系数数据越多。
7.一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码方法，其特征在于：包括将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的步骤；将指定的块数的上述系数数据存储到缓冲器中的步骤；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的步骤；将上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据存储到存储器中的步骤；按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据的步骤；按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据的步骤。
8.如权利要求7所述的数字数据编码方法，其特征在于：上述数字数据是数字声音数据，上述系数数据作成步骤将上述数字数据按块进行改进的离散余弦变换，作成上述每一频率的系数数据。
9.如权利要求7所述的数字数据编码方法，其特征在于：变换的步骤分割上述输入的系数数据，以使频率越大的频带包含的系数数据越多。
10.一种将按指定的采样数分块的数字数据进行编码的数字数据编码方法，其特征在于：包括将上述数字数据按块变换为频率轴上的数据，作成每一频率的系数数据的步骤；将指定的块数的上述系数数据存储到缓冲器中的步骤；从上述缓冲器按每1块输入上述系数数据，将上述输入的系数数据分割到各频带包含1个或多个上述输入的系数数据的多个频带中，将上述分割的系数数据按上述频带进行浮点变换，对于包含在上述各频带中的上述分割的系数数据变换为共同的1个频带共同指数部数据和个数与包含在上述各频带中的上述分割的系数数据的数相等的尾数部数据的步骤；将上述频带共同指数部数据和上述尾数部数据存储到存储器中的步骤；按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述频带共同指数部数据，对于上述读出的频带共同指数部数据作成共同的块共同指数部数据的步骤；仅当上述作成的块共同指数部数据与上述读出的上述指定的块数的频带共同指数部数据之差的至少一个小于指定的值时才按上述频带从上述存储器中读出上述指定的块数的上述系数数据，将上述读出的系数数据用由上述块共同指数部数据表示的指数相除，作成新的尾数部数据的步骤。
11.如权利要求10所述的数字数据编码方法，其特征在于：上述数字数据是数字声音数据，上述系数数据作成步骤将上述数字数据按块进行改进的离散余弦变换，作成上述每一频率的系数数据。
12.如权利要求10所述的数字数据编码方法，其特征在于：变换的步骤分割上述输入的系数数据，以使频率越大的频带包含的系数数据越多。
CN96111959A 1995-08-31 1996-08-30 数字数据编码装置及其方法 Expired - Lifetime CN1111960C (zh)

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