CN1262815A - 在传输系统中的无损编码/解码 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经传输媒体发送数字信息信号的发送器。该数字信息信号有损编码为有损编码信号。该有损编码信号被解码为有损信号。该有损编码信号与该数字信息信号被组合为残余信号。该残余信号被预测,产生一个预测信号。该预测的信号在熵编码器中被无损编码,以便获得无损残余信号。有损信号与无损残余信号两者经传输媒体发送。

Description

在传输系统中的无损编码/解码

本发明涉及经传输媒体发送数字信息信号的发送装置，包括：

-适合压缩数字信息信号为有损编码信号的有损编码器，

-适合扩展该有损耗编码信号的有损解码器，以便获得该数字信息信号的复制品，

-适合组合该数字信息信号与该复制品为第一残余信号的第一信号组合单元，

-适合压缩第一残余信号为无损耗编码残余信号的无损耗编码器，

-适合组合有损耗编码信号与无损耗编码残余信号为经传输媒体发送的发送信号的第二信号组合单元。

本发明还涉及一种接收发送信号的接收装置，和涉及一种经由传输媒体发送数字信息信号的方法，和涉及借助于按照本发明的方法获得的一种记录载体。

从Audio Eng.Soc.杂志1996年9月，第44卷第9期，第706-719页和从第103届AES会议(美国，纽约)的作者为Jurgen Koller等人的AES预印稿4621“Roubust Coding of Hight Quality Audio Signals”中已知道在序言中规定类型的发送和接收装置。该已知的发送装置试图有效地降低数字信息信号的位速率。因此获得的编码信号在传输期间从传输媒体需要较少的容量。该已知的接收装置变换该编码信号为原始数字信息信号的复制品。

本发明的一个目的是提供一种发送和/或接收装置，该装置更有效地降低数字信息信号的位速率。

为此，按照本发明的发送装置的特征为无损编码器包括：

-用于获得预测信号的预测滤波器，

-用于组合预测信号与第一残余信号，以便获得第二残余信号的信号组合单元，

-用于编码第二残余信号为无损编码的残余信号的熵编码器。

按照本发明的接收装置的特征为无损解码器包括：

-用于解码无损编码残余信号为第二残余信号的熵解码器，

-用于组合第二残余信号和预测信号为第一残余信号的信号组合单元，

-用于处理第二残余信号，以便形成预测信号的预测滤波器。

按照本发明的方法的特征为无损压缩包括以下步骤：

-得到预测信号，

-组合预测信号与第一残余信号，以便获得第二残余信号，

-编码第二残余信号为无损耗的残余信号。

本发明是基于这样一个事实的认识，即，仅如果施加到预测滤波器的信号的频谱具有非均匀分布的情况下，用于熵编码器的预测滤波器才是有用的。在已知的发送装置中，数字信号经有损编码和有损解码为有损信号。通过组合数字信息信号与有损信号获得残余信号，当使用一种适合的算法时，残余信号的频谱就具有均匀的分布。采用熵编码器的预测滤波器则不能导致位速率的降低。但是，与预期相反，已经发现残余信号的频谱并不具有均匀的分布。结果，显然实际上，预测滤波器对进一步降低位速率做出贡献。

本发明的这些和其他方面将结合图1到6进行更详细地描述。

图1是按照本发明的发送装置的第一实施例的方框图；

图2是按照本发明的接收装置的第一实施例的方框图；

图3是按照本发明的发送装置的第二实施例的方框图；

图4是无损编码器的第二个例子的方框图；

图5是以记录设备形式的发送装置的方框图；

图6是以重放设备形式的接收装置的方框图。

图1表示按照本发明的发送装置的第一实施例。该发送装置具有用于接收诸如数字音频信号之类的数字信息信号的输入端2。该数字音频信号可以是在A/D变换器中变换该数字音频信号的模拟形式为数字信息信号获得的。该数字信息信号可以取1比特信号的形式，诸如1比特码流。输入端2被连接到有损编码器6的输入端4。有损编码器6自适应地变换在输入端4接收的数字信号为应用到有损编码器6的输出端8的有损耗编码信号。有损编码器6可能采取一种公共滤波器组编码器的形式，如在子频带编码或变换编码中使用的。有损编码器6可以包含一个感知模型。该感知模型确定作为频率的函数的可容忍的噪声。信号按这样的方式进行量化，即量化噪声维持在低于屏蔽阈值。信号的较粗的量化的结果，使信号被压缩。有损编码器6具有连接到有损解码器12的输入端10的输出端8。有损解码器12自适应解码有损编码的信号为数字信息信号的复制品，以便施加到有损解码器12的输出端14。

第一信号组合单元16具有连接到输入端2的第一输入端18，还具有连接到有损解码器12的输出端的第二输入端20，和还具有输出端22。第一信号组合单元16自适应地组合输入信号与复制品，以便形成一个第一残余信号和馈送该第一残余信号到输出端22。该第一信号组合单元16可以采用减法电路的形式，在第二输入端20接收的信号从在第一输入端18接收的信号中减去。

第一信号组合单元具有其连接到无损编码器26的输入端24的输出端22。该无损编码器自适应地编码在输入端24接收的信号为施加到输出端28的无损编码信号，按这样的方式，在输入端24接收的信号借助于适宜的解码器可以被从无损编码残余信号无任何偏差地重建。

第二信号组合单元30具有连接到有损编码器6的输出端8的第一输入端32，还具有连接到无损编码器26的输出端28的第二输入端34，和具有输出端36。第二信号组合单元30自适应组合在第一和第二输入端接收的信号为发送信号，以便经传输媒体TRM进行发送。

无损编码器26的第一实施例包括预测滤波器38、第三信号组合单元42和熵编码器44。预测滤波器和熵编码器在现有技术中是已知的。预测滤波器38被连接到无损编码器26的输入端24。第三信号组合单元具有连接到无损编码器26的输入端24的第一输入端46，还具有连接到预测滤波器38的第二输入端48和还具有连接到熵编码器44的输入端52的输出端50。第三信号组合单元42适合于组合在输入端46和48接收的信号为施加到输出端50的信号。在目前的例子中，信号组合单元42采用减法电路的形式。熵编码器44具有连接到无损编码器26的输出端28的输出端54。熵编码器44可以采取霍夫曼(Huffman)编码器的形式。

预测滤波器38可以采取具有固定系数的滤波器的形式，但也可以采取自适应预测滤波器的形式。在第二种情况下，该预测滤波器将产生滤波器系数。在一种前向自适应预测滤波器中，系数必须经传输媒体TRM进行发送。然后被发送的系数控制接收机中的一个对应的自适应预测滤波器，将在下文中予以描述。如果预测滤波器38采取自适应预测滤波器的形式，则它还有连接到第二信号组合单元30的另外一个输入端58的输出端56。该预测滤波器38自适应施加各滤波器系数到第二信号组合单元30。现在，第二信号组合单元30还自适应经传输媒体TRM发送各系数。在反向自适应预测滤波器中，各滤波器系数不发送。在在下文中描述的接收装置中的自适应预测滤波器从预测滤波器的输入信号得到的信号中得到各滤波器系数。

前面描述的发送装置按照如下方式进行操作。数字信息信号加到输入端2和加到有损编码器6。有损编码的信号具有相当低的速率和含有对于原始信号重建不足的信息。有损编码信号加到有损解码器12，该解码器变换该所加的信号为数字信息信号的复制品。接下来，第一信号组合单元16将数字信息信号与复制品互相相减，产生第一残余信号。无损编码器26处理第一残余信号，使得形成无损编码的残余信号。无损耗编码的残余信号其有比第一残余信号低的速率。对应的无损解码器可以同样地从无损编码的残余信号中重建第一残余信号。

本专业的技术人员将期望第一残余信号的幅度具有均匀的频谱。这个技术人员还知道，如果所加的信号具有均匀的功率谱，对于熵编码器44的预测滤波器的使用不会导致在熵编码器44的输出端的信号速率的降低。另外，第一信号组合单元16的输出端22的信号的检验已经导致对这个信号不具有均匀频谱的理解。因此，预测滤波器的使用不会导致速率的进一步降低。

在无损编码器中的预测滤波器38用作确定在无损编码器26的输入端24接收的第一残余信号的预测信号。该预测信号至少包括具有最大能量值的第一残余信号的频率。信号组合单元24从在无损编码器26的输入端24接收的第一残余信号中减去该预测信号。这导致第二残余信号出现在信号组合单元42的输出端50。熵编码器44变换第二残余信号为无损编码的残余信号。最好是，熵编码器44采取霍夫曼编码器的形式。该预测滤波器最小化第二残余信号的能量值。无损编码残余信号的速率将随着第二残余信号的能量值降低而降低。

预测滤波器可以采用自适应滤波器的形式。在这种情况下，该滤波器试图进行第一残余信号的每个时间部分的估算。在该第一残余信号或第二残余信号的一部分信息的基础上，该滤波器计算第二残余信号的能量值为最小的各系数的设置。结果，第二残余信号的能量值相对于借助具有各固定系数的预测滤波器获得的信号将进一步减小。该滤波器施加计算的系数或该系数的表示到第二信号组合单元30的输入端58。

在第二信号组合单元30中，在输入端接收的信号被组合为发送信号。下文描述的相关的接收装置可以从所述发送的信号中精确地重建该数字信息信号。借助于所述发送装置对于无任何信息损失的数字信息信号发送，获得比借助于仅包括无损编码器的装置低的速率。传输媒体具有最大速率或带宽。当借助于仅包括无损编码器的发送装置发送数字信息信号将得到最大速率时，按照本发明的发送装置将要求较低速率。因此，如果利用传输媒体的最大速率，则按照本发明的发送装置可以在每单位时间发送更多信息。

传输媒体可以是传输信道或记录载体，诸如磁或光记录载体。发送的信号经传输媒体TRM发送到接收装置。

图2表示用于接收发送信号的接收装置的实施例。该接收装置从接收的发送信号中得到原始信号的精确复制品。

发送信号TRM在去复用单元62的输入端60被接收。该去复用单元62能够从发送信号TRM得到有损编码信号和无损编码残余信号。有损编码信号被施加到第一输出端64。无损编码残余信号施加到第二输出端66。

去复用单元62的第一输出端64被连接到有损解码器70的输入端72。有损解码器适合于扩展在输入端72接收的信号为数字信息信号的复制品。该复制品并不是精确地与原始数字信息信号相同。该复制品被施加到有损解码器70的输出端74。

去复用单元62的第二输出端66被连接到无损解码器78的输入端76。无损解码器78适合于扩展在输入端76接收的信号为残余信号。该残余信号被施加到无损解码器78的输出端80。

信号组合单元82具有连接到于损解码器70的输出端70的第一输入端84，还具有连接到无损解码器78的输出端80的第二输入端86，和还具有输出端88。信号组合单元82适合于组合在第一输入端84接收的信号和在第二输入端86接收的信号，以便形成数字信息信号的复制品。该复制品被施加到输出端88。信号组合单元82可以采取加法电路的形式，在第二输入端86接收的信号被加到在第一输入端84接收的信号上。该和信号被施加到输出端88。输出端88被连接到接收装置的输出端90。

表示在图2的接收装置按如下方式进行操作。去复用单元62分开在输入端60接收的发送信号为有损编码信号和无损编码残余信号。在有损编码器70中，有损编码信号被变换为数字信息信号的复制品。该复制品相对于通过如图1所示的发送装置已被编码和发送的原始数字信息信号呈现偏差。在无损解码器78中，无损编码的残余信号被变换为残余信号。这个残余信号对应于该复制品与原始数字信息信号之间的偏差。通过在信号组合单元82中将该复制品与该残余信号进行相加，获得数字信息信号的复制品。在理想的情况下，这个复制品是该数字信息信号的精确的复制。

无损解码器78的一个例子包括一个熵解码器92、一个信号组合单元84和一个预测滤波器96。无损编码器78具有其连接到熵解码器92的输入端98的输入端76。例如霍夫曼解码器形式的熵解码器适合解码在输入端98接收的信号为预测残余信号和施加该预测残余信号到熵解码器的输出端100。信号组合单元94具有连接到熵解码器92的输出端100的第一输入端102。熵解码器92具有连接到预测滤波器96的输出端100的第二输入端104。信号组合单元94适合组合在第一输入端102和第二输入端104接收的信号，和施加这个信号到信号组合单元94的输出端106。在这个例子中，信号组合单元采取加法电路的形式。预测滤波器96具有连接到信号组合单元94的输出端106的输入端108。在无损解码器中的预测滤波器96用于确定在输入端108接收的残余信号的预测信号。预测滤波器适合施加预测信号到输出端110。无损解码器78具有其连接到信号组合单元94的输出端106的输出端80。

预测滤波器96可以借助于自适应滤波器来实现。在这种情况下，该滤波器试图进行对该残余信号的每个时间部分进行估算。该预测滤波器要求各个系数，以便给出该滤波器的正确滤波特性。如果接收装置包括正向自适应预测滤波器，则去复用单元还适合从发送的信号中提取由发送装置的正向自适应预测滤波器38产生的各滤波系数，和施加这些系数到输出端68。这个输出被连接到预测滤波器96的输入端112。在这种情况下，接收装置包括反向自适应预测滤波器，该预测滤波器适合从输入信号中得到的信号中得到阈值滤波系数。

图3表示如图1所示的发送装置的实施例的改进。该实施例还包括预处理滤波器300和控制单元302。发送装置具有其连接到预处理滤波器300的输入端304和到控制单元302的输入端308的输入端2。预处理滤波器300具有其连接到有损编码器6的输入端4的输出端306。

控制单元302具有连接到预处理滤波器300的控制输入端312的第一控制输出端310。第二控制输出端314被连接到有损编码器的控制输入端316。第三控制输出端318被连接到预测滤波器38的控制输入端320。

控制单元302适合产生第一、第二、和第三控制信号和分别施加这些信号到第一控制输出端310、第二控制输出端314和第三控制输出端318。各控制信号的值取决于在输入端308接收的信号。

预处理滤波器300适合处理在输入端304接收的信号和接下来施加该信号到预处理滤波器300的输出端306。取决于在输入端312接收的控制信号，预处理滤波器300具有某些特性，例如滤波特性、输出信号的最大上升时间和下降时间。

如图3所示的实施例是基于以下事实的认识。从现有技术已知，某些信号的速率并不被有损编码器降低到一个明显的程度。还已知哪些信号的速率可以被降低到一个满意的程度。对于无损编码器这两者都是已知的。按照本发明的发送装置使用有损编码器6和无损编码器26。施加到这个发送装置的输入端2的数字信息信号经传输媒体TRM按无损方式进行发送，即，没有任何信息的损失。因此，发送信号的一部分包含有损数据和无损数据的另一部分。由发送装置实现的速率的降低是利用在输入端2接收的数字信息信号的相关速率的有损数据比特和无损数据比特的和确定的。如图2所示的实施例产生一个发送信号，在该信号中有损数据和无损数据量之间的比率取决于在输入端2接收的信号。在如图3所示的实施例中，数字信息信号被估算。检验在数字信息信号中的哪些分量引起有损编码器6的差的信号压缩。现在对预处理滤波器300进行设置，使得降低施加到输出端306的预处理信号中的这些分量的影响。有损编码器可以有效地变换预处理信号为有损编码信号。该有损编码信号相对于数字信息信号具有低的速率。如果有损编码器具有多个感知模型，可以经来自控制单元302的第二控制信号选择提供最高信号压缩的感知模型。

预处理滤波器300和有损编码器6被按照这样的方式进行设置，有损编码信号的速率低于没有预处理滤波器300的有损信号的速率。有损解码器12解码有损编码的信号为数字信息信号的复制品。在第一信号组合单元16中，该复制品被从数字信息信号中减去，使得形成第一残余信号。因为预处理滤波器已经去掉引起有损编码器6的差信号压缩的分量，这些分量将存在于第一残余中。结果，有损编码的信号将具有低的速率。这时第一残余信号平均地具有比按照如图1所示的实施例的发送装置中的第一残余信号大的绝对值。第一残余信号的频谱将是非均匀的和将不对应于白噪声频谱。在这种情况下，预测滤波器的使用将导致在熵编码器44的输出端的无损信号速率降低。来自控制单元302的第三控制信号保证，预测滤波器44的设置被优化，使得第二残余信号的功率分布尽可能地均匀。在均匀的幅度分布的情况下，利用正态PCM的编码最好的降低实现了。然而，PCM编码是霍夫曼编码的一种特殊形式，它是在熵编码器44中通过正确表的选择实现的。在如图3所示的实施例中，控制单元302保证尽可能少的硬压缩信号被施加到有损编码器。结果，有损编码信号的速率将降低，不管怎样，无损信号的速率将不增加或将少量的增加。结果，平均来说发送信号的速率被进一步降低。

图4表示图1的无损编码器26的第二个例子。无损编码器具有其连接到第一信号组合单元400的第一输入端402的输入端24。第一信号组合单元400具有连接到预测滤波器38的输出端416的第二输入端404。第二信号组合单元410具有连接到第一信号组合单元400的输出端406的第一输入端408。第二信号组合单元410具有其连接到预测滤波器38的输出端416的第二输入端412。预测滤波器38具有其连接到第二信号组合单元410的输出端414的输入端40。熵编码器44具有其连接到第一信号组合单元400的输出端406的输入端52。无损编码器具有其连接到熵编码器44的输出端54的输出端28。

当在无损编码器的第二例子中的预测滤波器38和熵编码器44分别与图1的第一例子的预测滤波器38和熵编码器44相同时，显然在输入端24上类似输入信号的情况下，在输出端28上产生相同的信号。使用在本发明中的无损编码器的类型不限于作为例子给出的类型。对于不是功能的原因，也可以选择其它类型。

图5表示在记录媒体上记录数字信息信号的设备形式的发送装置。在图5中的电路方框500替代图1或图3的方框。电路方框500的输出端36是与图1或图3中组合装置30的输出端36相同的。记录设备还包括纠错编码单元502、信道编码单元504和记录装置506，用于记录信号在记录载体506b上。纠错单元和信道编码单元通常是现有技术公知的。记录载体506b可以是磁带。在目前情况下，记录装置506包括若干磁头506a，适合记录信息在记录载体506b的磁迹上。在另一个实施例中，记录载体是光信息载体506b′。现在记录装置506包括光记录头506a，用于记录信息在记录载体506b′的轨迹上。

图6表示重放在记录载体上的数字信息信号的设备形式的接收装置。在图6中的方框600替代图2的方框图。电路方框600的输入端60对应于在图2中的去复用单元62的输入端60。该重放设备还包括读出装置602、信道解码单元606和用于检测并和如果可能纠正信号中的差错的纠错单元608。信道解码单元和纠错单元通常是现有技术公知的。读出装置602适合读出记录在记录载体602b上的信号和施加该读出信号到信道解码器606。记录载体602b可以是磁带。在目前情况下，该读出装置602包括一个或多个磁读出头602a，用于从记录载体602b的轨迹上读出信息。在另一个实施例中，记录载体602b是光记录载体602b′。读出装置602现在包括光读出头602a，用于从记录载体602b′的轨迹读出信息。

按照本发明的一种设备可以包括发送装置和接收装置两者。图5和6所示的各设备的组合产生一种设备，借助于这种设备数字信息信号可以被记录在记录载体上和被记录的数字信息信号可以从记录载体上读出和可以在稍后重放。另外的可能性是包括发送和接收装置的两个设备经一个或者若干传输媒体相互通信。借助于其发送装置，第一设备经第一传输媒体发送数字信息信号到第二设备。该第二设备借助于接收装置接收这个信号并转移这个信号到输出端。按照类似的方式，第二设备可以经第二传输媒体发送数字信息信号到第一设备。取决于传输媒体使用的物理实现可以使用一个或多个传输媒体。

Claims (15)

1.一种用于经传输媒体发送数字信息信号的发送装置，包括：

-适合压缩数字信号为有损编码信号的有损编码器，

-适合扩展该有损耗编码信号的有损解码器，以便获得该数字信息信号的复制品，

-适合组合该数字信息信号与该复制品为第一残余信号的第一信号组合单元，

-适合压缩第一残余信号为无损编码残余信号的无损耗编码器，

-适合组合有损编码信号与无损编码残余信号为经由传输媒体发送的发送信号的第二信号组合单元，

其特征在于无损编码器包括：

-用于获得预测信号的预测滤波器，

-用于组合预测信号与第一残余信号以便获得第二残余信号的信号组合单元，

-用于编码第二残余信号为无损编码的残余信号的熵编码器。

2.按照权利要求1的发送装置，其特征在于该预测滤波器适合从第一残余信号中获得该预测信号。

3.按照权利要求1的发送装置，其特征在于该熵编码器采取霍夫曼编码器的形式。

4.按照权利要求1的发送装置，其特征在于该预测滤波器适合按这种方式进行操作，即平均地讲第二残余信号具有平坦频谱。

5.按照在先各权利要求的任何一个权利要求的发送装置，其特征在于采取用于记录发送的信号在记录载体上的装置的形式。

6.按照权利要求5的发送装置，其特征在于该装置包括纠错编码单元和/或信道编码单元。

7.一种接收发送信号的接收装置，该发送信号包含有损编码信号和无损编码的残余信号，该接收装置包括：

-用于接收来自传输媒体的发送信号的接收装置，

-用于从传输信号提取有损编码信号和无损编码残余信号的去复用装置，

-适合扩展有损编码信号为数字信息信号的复制品的有损解码器，

-适合扩展无损编码的残余信号为第一残余信号的无损解码器，

-适合组合数字信息信号的复制品与第一残余信号为数字信息信号的信号组合单元，

其特征在于该无损解码器包括：

-用于解码无损编码残余信号为第二残余信号的熵解码器，

-用于组合第二残余信号和预测信号为第一残余信号的信号组合单元，

-用于处理第二残余信号以便形成预测信号的预测滤波器。

8.按照权利要求7的接收装置，其特征在于该熵解码器采取霍夫曼解码器的形式。

9.按照权利要求7或8的接收装置，其特征在于采取用于重放记录在记录载体上的发送信号的装置的形式。

10.按照权利要求9的接收装置，其特征在于该装置包括信道编码单元和/或纠错单元。

11.一种经传输媒体发送数字信息信号的方法，包括以下步骤：

-接收数字信息信号，

-按有损方式压缩数字信息信号，以形成有损编码信号，

-扩展该有损编码信号为该数字信息信号的复制品，

-组合数字信息信号与该数字信息信号的复制品为第一残余信号，

-按无损方式压缩第一残余信号，以形成无损编码残余信号，

-组合有损编码信号与无损编码残余信号为经传输媒体发送的发送信号，

其特征在于无损压缩包括以下步骤：

-得到预测信号，

-组合预测信号与第一残余信号，以便获得第二残余信号，

-编码第二残余信号为无损耗编码的残余信号。

12.按照权利要求11经传输媒体发送数字信息信号的方法，其特征在于预测信号是从第一残余信号中得到的。

13.按照权利要求11或12的方法，其中发送信号存储在记录媒体上。

14.借助于按照权利要求11所要求的方法或者按照权利要求5所要求的发送装置获得的记录载体，其特征在于该记录载体是一种光或磁记录媒体。

15.一种包括按照权利要求5所要求的发送装置和按照权利要求9所要求的接收装置的设备。

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