CN1298118C - 码长度自动调节编解码装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种码长度自动调节编解码装置及方法，它利用码长度自动调节器及码容量计算器，对于脉冲编码调制动态地提供码长度调节信号，使得编解码的过程中，码的长度对于实际情况具有自适应。

Description

码长度自动调节编解码装置及方法

发明领域

本发明涉及一种脉冲编码调制(Pulse Code Modulation；PCM)装置及方法，更特别地，涉及一种应用于脉冲编码调制的码长度自动调节编解码装置及方法。

背景技术

脉冲编码调制乃是已熟知的技术，其有助于数字信号的处理及数字系统的运作。差分脉冲编码调制(Differential PCM；DPCM)也是已熟知的，其被用来降低量化的失真(distortion)及减少数字编码的容量。更进一步地，自适应差分脉冲编码调制(Adaptive DPCM；ADPCM)亦是已熟知的，其根据信号的变化而改变量化的尺度，因而提升信号处理的效率及品质。图1显示一个典型的ADPCM编码装置的系统方块图，其包括一量化器10对一差值信号Ue进行量化及一编码器12对量化的信号Que进行编码，量化器10的输入为原始信号u与预估信号u的差值Ue，其经过量化后产生量化差值Que，此信号与预估信号u加成后成为量化信号Qu，输入预估器14以产生预估信号u。量化差值Que经过编码器12产生码信号c，被送至信道(channel)/存储器20。量化器10、预估器14及编码器12即构成一DPCM编码装置。而ADPCM编码装置则是加入步长尺寸自动调节器16及预估器参数自动调节器18，以改变量化的尺度。步长尺寸自动调节器16参考码信号c而产生一步长尺寸调整信号s给量化器10及编码器12，预估器参数自动调节器18则参考量化信号Qu而产生一预估器参数调整信号α给预估器14，以因应信号频率特性不同的状况。图2是一ADPCM解码装置的系统方块图，在受信端接收到的码信号c′输入一解码器22，码信号c′同时供给一步长尺寸自动调节器24产生一步长尺寸调整信号s给解码器22，解码器22解出量化差值Que，其与预估信号u加成后成为量化信号Qu，量化信号Qu经过预估器26产生预估信号u，一预估器参数自动调节器28参考预估信号u产生一预估器参数调整信号α给预估器26。此外，中国台湾专利公告编号第453408号则在DPCM或ADPCM系统中加入一解析度调整器，根据步长尺寸适应器的输出s及量化差值Que而改变编码解析度。

然而，这些熟知技术仅考虑被处理的信号本身或信号经过编解码后的品质，也就是单纯地以信号本身的变化为依据，而忽略其他配合的资源，例如，编制后的码在解码前通常经过缓冲存储器给予缓冲，因此，对于输入信号流量不稳定或变化较大的系统，缓冲存储器对于输入信号流量变化的缓冲能力将影响系统的整体表现。一般而言，使用较长的编码可以获得较佳的信号品质，但是会导致系统对于输入信号量变化的应变能力劣化。例如，在使用光碟机时，如果一直维持较长的编码或较高的信号品质，一旦发生震动而使得缓冲存储器的输入信号流量下降甚至中断，则光碟机便可能出现音乐中断或影像暂停的现象。储存于缓冲存储器的码容量愈大，愈能吸收较大的输入流量变化。因此，要使系统整体的表现较佳，应该考虑码容量的变化。

发明内容

只是，本发明的目的，即在于提供一种码长度自动调节编解码装置及方法，能够根据实际的状况自动地调整码的长度，以使得系统最佳化。

根据本发明，在一编码装置中，包括量化器、预估器及编码器，利用一码长度自动调节器参考该预估器输出的预估信号或量化器输出的量化差值信号及一码容量计算器提供的码容量指示信号，产生一码长度调节信号供给该量化器及该编码器，以动态地调整码的长度；而在一解码装置中，包括解码器及预估器，利用一码长度自动调节器参考该预估器输出的预估信号或解码器输出的量化差值信号及一码容量指示信号，产生一码长度调节信号供给该解码器。

附图说明

对于熟习本技术的人士而言，从以下所作的详细叙述配合伴随的图式，本发明将能够更清楚地被了解，其上述及其他目的及优点将会变得更明显，其中：

图1是一典型的ADPCM编码装置的系统方块图；

图2是一典型的ADPCM解码装置的系统方块图；

图3是根据本发明的一个编码装置实施例；

图4是根据本发明的一个解码装置实施例；

图5是图3及图4所示装置的系统性能表现与熟知技术的比较；

图6是一个码容量计算器实施例的内部组成；

图7是另一个码容量计算器实施例的内部组成；

图8是一个码长度自动调节器实施例的内部组成；

图9是另一个码长度自动调节器实施例的内部组成；

图10是再一个码长度自动调节器实施例的内部组成；

图11是根据本发明的一个控制流程实施例；及

图12是根据本发明的另一个控制流程实施例。

具体实施方式

图3是根据本发明的一个编码装置实施例，如同熟知的ADPCM装置，此编码装置含有量化器10、编码器12、预估器14、步长尺寸自动调节器16及预估器参数自动调节器18。为适当地调节码的长度，一码长度自动调节器30提供一码长度调节信号ι供给量化器10及编码器12；并且，此一码长度的调整是动态且自动的，码长度自动调节器30的输入端耦接预估器14的输出端，根据预估信号u而产生相关的码长度调节信号ι，此信号表达码长度的数值或变量，量化器10及编码器12则据以调整码的长度。此编码装置另包括一码容量计算器32，其参考编码器12输出的码信号c及一受信端信号c′，后者是表示在信道/存储器20的彼端所接收到的码信号，当发信端及受信端在同一系统中，例如，码信号c是被写入近端的存储器储存，则码信号c′为从存储器读出的码信号；当受信端在远端，则码信号c′是一接收端回传的信号。码容量计算器32比较码信号c及c′而产生一码容量指示信号r供给码长度自动调节器30，藉以根据当时的码容量状况调整码的长度。码容量指示信号r同时传送至信道/存储器20，与码信号c一并送至受信端。

在受信端的解码装置如图4所示，此装置类似熟知的ADPCM解码装置，其含有解码器22、步长尺寸自动调节器24、预估器26及预估器参数自动调节器28，此外，一码长度自动调节器34接收码容量指示信号r′及参考预估器26输出的预估信号u，以产生一码长度调节信号ι供给解码器22，藉以还原量化信号u。

上述图3及图4的实施例主要是为应用于输入信号流量不稳定，甚至可能发生中断的场合，例如光碟机。在此实施例中，码容量计算器32计算系统中缓冲存储器所储存的码容量而产生码容量指示信号r，然后码长度自动调节器30则根据输入的预估信号u及码容量的状况来决定最适合的码长度。例如，当码容量较小时，优先考虑缓冲输入流量变化的功能，使用较短的码长度，以便强化缓冲输入流量变化的能力；反之，当码容量较大时，则改为优先考虑最佳信号品质及码位元利用率的功能，使用较长的码长度，以便提升信号的品质。此一系统的性能表现图示于图5中。在图5中，横座标为码容量，纵座标为流量变化缓冲能力，熟知技术的表现如曲线CRV1，为一直线，而本实施例的表现如曲线CRV2，优于熟知技术。在一般的应用中，如果输入信号流量比较稳定，则上述装置可以简化，舍弃考虑码容量的因素，仅控制输出信号的品质及增加码的位元利用率。

图6是码容量计算器32的内部组成，其含有一累加器(accumulator)36，码信号c及c′的差值输入累加器36产生累计信号，亦即累计储存于缓冲存储器中的码位元数，据以产生码容量指示信号r。如果考虑实现的硬体成本，可以先经过码容量量化器38调整输出至适当的精确度。

码容量计算器32的另一个实施例如图7所示，码信号c及c′分别输入单击触发器35a及35b，以控制计数器37上数及下数，如此即计算出编码的次数差，不但实现的硬体成本较低，而且更直接反应出实际储存于缓冲存储器中的原始信号输入笔数。同样地，计数器37的输出可以再经过码容量量化器38的处理而产生码容量指示信号r。

码长度自动调节器30的内部组成如图8所示，预估信号u及其经过延迟器40延迟后的差值Δu送至比较器42，与来自界值选择器46的第一界值信号B1比较，产生一信号供给上数/下数计数器44，其输出的信号再送至比较器48，与来自界值选择器46的第二界值信号B2比较，以产生调节指示信号A供给码长度调整器50，后者同时参考码容量指示信号r，以产生码长度调节信号ι，此信号ι同时供给界值选择器46参考，以决定界值信号B1及B2。码长度调整器50另提供一重设信号RESET给上数/下数计数器44，以将之归零。

在不同的实施例中，前述码长度自动调节器30的输入信号除了码容量指示信号r之外，不参考预估信号u，而直接参考量化差值Que。图9显示如此的一个码长度自动调节器30的内部组成，其中，量化差值Que经过一个第一低通滤波器或上数/下数计数器52而产生一输出/Que，此即为调节指示信号A，输入码长度调整器50，同样地，码长度调整器50的另一输入为码容量指示信号r，且其亦提供一重设信号RESET给第一低通滤波器或上数/下数计数器52。在此装置中，码长度自动调节器30是根据量化差值Que及码容量决定最适合的码长度。

码长度自动调节器30的更进一步改良如图10所示，除了图9所示的组成之外，还包括一延迟器40使量化差值Que与其延迟产生一差值ΔQue，经过一个第二低通滤波器或上数/下数计数器52b而产生一输出/ΔQue，再经过一量化误差补偿器54产生一补偿信号D，与/ΔQue相加成为调节指示信号A供给码长度调整器50。此一增加的电路在于观察量化差值Que的走势方向，若差值ΔQue为正数，则表示误差在持续增加中，亦即表示码长度不足，应该增加；反之，若差值ΔQue为负数，则表示误差在持续减少中，亦即表示码长度充足，应该减少或维持不变。

一个控制流程实施例显示在图11中。图(A)表示将码长度ι的值56区分为N个范围，即Range1、Range2、…、RangeN，每个范围的大小可以相同或不同，范围Range1的码长度最小，然后逐渐增大，至范围RangeN的码长度最大。此控制方法的原理如下，首先系统被给予一初始的码长度ιini，如步骤58所示；接着如步骤60，检查码长度ι是否在范围Range1中，如果是，则进入步骤62，检查调节指示信号A是否超过界值HBOUND1，如果是，则将码长度ι加1，如步骤64所示，然后到步骤70，进行重置，再回到步骤60；如果上述步骤62的结果为否，则进入步骤66，检查调节指示信号A是否低于界值LBOUND1，如果是，则将码长度ι减1，如步骤68所示，然后到步骤70，进行重置，再回到步骤60；如果上述步骤66的结果为否，则直接到步骤60。上述从步骤62至68是码长度ι在范围Range1中的调整方式，如果上述步骤60的结果为否，表示码长度ι超过范围Range1，则进入步骤72，检查码长度ι是否在范围Range2中，接着的控制流程与上述范围Range1的控制流程大致相同，只是比较调节指示信号A所用的界值范围不同。详言之，在步骤74中，若调节指示信号A超过界值HBOUND2，则至步骤64中将码长度ι加1；否则，若在步骤76中调节指示信号A低于界值LBOUND2，则至步骤68中将码长度ι减1；完成此一范围的调整后，同样地，回到步骤70，进行重置，再回到步骤60。依此类推，在最后一级的比较中，若步骤78检查码长度ι得知其是在范围RangeN当中，则至步骤80，若调节指示信号A超过界值HBOUNDN，则至步骤64中将码长度ι加1；否则，若在步骤82中调节指示信号A低于界值LBOUNDN，则至步骤68中将码长度ι减1；完成码长度ι的调整后，回到步骤70，进行重置，再回到步骤60；若在步骤82中得到调节指示信号A低于界值LBOUNDN，或者，在上述步骤78中发现码长度ι不在范围RangeN当中，皆直接回到步骤60，重新开始检查码长度ι所处的范围。

图12是另一个控制流程实施例，在此实施例中，码容量r的范围84从空的至满的被分为RangeA、RangeB、……、RangeM，每个范围的大小可以相同或不同，如图(A)中所示；而在每一个码容量r的范围RangeX中，其对应的码长度ι的值56又被区分为N个范围，即RangeX1、RangeX2……RangeXN，每个范围的大小可相同或不同，范围RangeX1的码长度最小，然后逐渐增大，至范围RangeXN的码长度最大，如图(B)中所示。如同前一个控制流程实施例，在本控制流程中，首先亦在步骤58中给予一初始的码长度ιini；接着，根据码容量r所处的范围及该范围中码长度ι所处的范围进行码长度ι的调整。如步骤86所示，当码容量r在范围RangeA中时，系统进行范围RangeA当中码长度ι的调整操作ιA，如步骤88所示，然后至步骤70，进行重置，再加到步骤86。依此类推，逐次检查码容量r的范围，直到最后一级，即步骤90。在此最后一级中，图中绘出调整码长度ι的详细过程，此过程即为图11所示的过程。其他每一码容量r的范围所进行的调整过程与此相似。另一方面，在步骤90中，若码容量r不在范围RangeM中，则直接回到步骤86，重新再开始检查码容量r所处的范围。

为描述码容量r的变化对于码长度ι的调整，假想一个在受信端储存码的缓冲存储器，并将之视为一个漏水桶，码从桶子的上方加入，而从桶子的下方被取出，亦即，缓冲存储器是以一先进先出(FIFO)的方式操作。码进入缓冲存储器的流量可能大致稳定，也可能非常不稳定，此与实际的装置及其使用当时的状况有关。一般而言，码从缓冲存储器被取出的流量大致稳定，但是也可能不稳定，此亦与实际的装置及其使用当时的状况有关。例如在一光碟机中，一方面从音乐光碟片取出资料放入缓冲存储器内，另一方面从缓冲存储器内取出资料还原为音乐，当光碟机受到震动时，其输入缓冲存储器的码容量将瞬间停止或剧烈变化。又如在一通讯系统中，传输信道的频宽有限，若突然发生意外事件的干扰，则受信端接收到的码流量可能骤然降低。或者在一通讯系统中，信道的传输品质可能不稳定，因而导致受信端接收的信号流量忽大忽小。诸如此类的应用中，如果维持固定的编码长度或速率，将可能发生解码端的缓冲存储器出现空乏的现象，使得系统无法顺利地操作，特别是在即时或与媒体有关的系统中，例如音乐、影像或具有互动性质的系统，其性能表现将变得令使用者无法忍受。而本发明依使用当时的实际状况动态地调整编码长度或速率，可以维持系统稳定的运作，因而提升品质。

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让熟习该项技术者以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由以下的权利要求及其均等来决定。

Claims (34)

1.一种码长度自动调节编码装置，应用在脉冲编码调制系统中，该脉冲编码调制系统具有一量化器，产生一量化差值信号；一预估器，产生一预估信号；及一编码器，产生一编码信号，其特征在于：该编码装置包括一码长度自动调节器，参考该预估信号而产生一码长度调节信号供给该量化器及编码器，以供编码时自动调整码的长度。

2.如权利要求1的编码装置，还包括一码容量计算器，参考该编码信号及一受信端码信号而产生一码容量指示信号供给该码长度自动调节器，据以决定该码长度调节信号。

3.如权利要求2的编码装置，其中该码容量计算器包括一累加器，根据该编码信号与受信端码信号的差值而产生一缓冲码位元数信号，据以决定该码容量指示信号。

4.如权利要求3的编码装置，其中该码容量计算器还包括一码容量量化器，以量化该缓冲码位元数信号。

5.如权利要求2的编码装置，其中该码容量计算器包括二单击触发器，分别接受该编码信号与受信端码信号，据以产生一编码次数信号及一解码次数信号；以及一计数器，接受该编码次数信号及解码次数信号，据以产生一编解码的次数差信号，进而决定该码容量指示信号。

6.如权利要求5的编码装置，其中该码容量计算器还包括一码容量量化器，以量化该编解码的次数差信号。

7.如权利要求2的编码装置，其中该码长度自动调节器包括一上数/下数计数器、一界值选择器及一码长度调整器，该上数/下数计数器根据该预估信号及其延迟信号的差值与该界值选择器根据该码长度调节信号而产生的界值比较，以产生一调节指示信号施予该码长度调整器，该码长度调整器根据该调节指示信号及码容量指示信号而决定该码长度调节信号。

8.一种码长度自动调节解码装置，应用在脉冲编码调制系统中，该脉冲编码调制系统具有一解码器，根据一编码信号产生一量化差值信号；及一预估器，产生一预估信号，其特征在于：该解码装置包括一码长度自动调节器参考该预估信号而产生一码长度调节信号供给该解码器，以供解码时自动调整码的长度。

9.如权利要求8的解码装置，其中该码长度自动调节器还参考一码容量指示信号，据以决定该码长度调节信号。

10.如权利要求9的解码装置，其中该码长度自动调节器包括一上数/下数计数器、一界值选择器及一码长度调整器，该上数/下数计数器根据该预估信号及其延迟信号的差值与该界值选择器根据该码长度调节信号而产生的界值比较，以产生一调节指示信号施予该码长度调整器，该码长度调整器根据该调节指示信号及码容量指示信号产生该码长度调节信号。

11.如权利要求2的编码装置，其中该码长度自动调节器包括一第一低通滤波器或上数/下数计数器及一码长度调整器，该第一低通滤波器或上数/下数计数器接受该量化差值信号而产生一计数信号，再据以决定一调节指示信号，该码长度调整器根据该调节指示信号及码容量指示信号而决定该码长度调节信号。

12.如权利要求11的编码装置，其中该码长度自动调节器还包括一第二低通滤波器或上数/下数计数器及一量化误差补偿器，该第二低通滤波器或上数/下数计数器根据该量化差值信号及其延迟信号的差值而产生一趋势走向计数信号，该量化误差补偿器根据该趋势走向计数信号产生一补偿信号，以补偿该调节指示信号。

13.如权利要求9的解码装置，其中该码长度自动调节器包括一第一低通滤波器或上数/下数计数器及一码长度调整器，该第一低通滤波器或上数/下数计数器接受该量化差值信号而产生一计数信号，再据以决定一调节指示信号，该码长度调整器根据该调节指示信号及码容量指示信号而决定该码长度调节信号。

14.如权利要求13的解码装置，其中该码长度自动调节器还包括一第二低通滤波器或上数/下数计数器及一量化误差补偿器，该第二低通滤波器或上数/下数计数器根据该量化差值信号及其延迟信号的差值而产生一趋势走向计数信号，该量化误差补偿器根据该趋势走向计数信号产生一补偿信号，以补偿该调节指示信号。

15.一种码长度自动调节编码方法，应用在脉冲编码调制系统中，该方法包括下列步骤：

根据一原始信号及一预估信号产生一量化差值信号；

根据该量化差值信号及预估信号产生该预估信号；

根据该量化差值信号产生一编码信号；以及

根据该预估信号产生一码长度调节信号，以供编码时自动调整码的长度。

16.如权利要求15的编码方法，还包括根据该编码信号及一受信端码信号而产生一码容量指示信号，以决定该码长度调节信号。

17.如权利要求16的编码方法，还包括根据该编码信号与受信端码信号的差值而产生一缓冲码位元数信号，据以决定该码容量指示信号。

18.如权利要求17的编码方法，还包括量化该缓冲码位元数信号。

19.如权利要求16的编码方法，产生一编解码的次数差信号，进而决定该码容量指示信号。

20.如权利要求16的编码方法，还包括量化该编解码的次数差信号。

21.如权利要求16的编码方法，还包括根据该预估信号及其延迟信号的差值与至少一界值信号决定该码长度调节信号。

22.如权利要求21的编码方法，还包括根据该码长度调节信号决定该至少一界值信号。

23.如权利要求15的编码方法，其中该产生码长度调节信号的步骤包括将码长度的值区分为许多范围，每一范围对应一高界值及一低界值，再根据该码长度所处的范围比较其对应的该高界值及低界值，据以增减该码长度。

24.如权利要求16的编码方法，其中该产生码长度调节信号的步骤包括将码容量的值区分为许多范围，每一范围对应许多码长度的范围，每一码长度的范围对应一高界值及一低界值，再根据该码容量所处的范围及该码长度所处的范围比较其对应的该高界值及低界值，据以增减该码长度。

25.一种码长度自动调节解码方法，应用在脉冲编码调制系统中，该方法包括下列步骤：

根据一编码信号产生一量化差值信号；

根据一量化信号产生一预估信号；

根据该量化差值信号及预估信号产生该量化信号；以及

根据该预估信号产生一码长度调节信号，以供解码时自动调整码的长度。

26.如权利要求25的解码方法，还包括参考一码容量指示信号以决定该码长度调节信号。

27.如权利要求26的解码方法，还包括根据该预估信号及其延迟信号的差值与至少一界值信号决定该码长度调节信号。

28.如权利要求27的解码方法，还包括根据该码长度调节信号决定该至少一界值信号。

29.如权利要求25的解码方法，其中该产生码长度调节信号的步骤包括将码长度的值区分为许多范围，每一范围对应一高界值及一低界值，再根据该码长度所处的范围比较其对应的该高界值及低界值，据以增减该码长度。

30.如权利要求26的解码方法，其中该产生码长度调节信号的步骤包括将码容量的值区分为许多范围，每一范围对应许多码长度的范围，每一码长度的范围对应一高界值及一低界值，再根据该码容量所处的范围及该码长度所处的范围比较其对应的该高界值及低界值，据以增减该码长度。

31.如权利要求15的编码方法，还包括根据该量化差值信号产生一调节指示信号，再据以决定该码长度调节信号。

32.如权利要求31的编码方法，还包括根据该量化差值信号及其延迟信号的差值而产生一趋势走向计数信号，据以产生一补偿信号，以补偿该调节指示信号。

33.如权利要求25的解码方法，还包括根据该量化差值信号产生一调节指示信号，再据以决定该码长度调节信号。

34.如权利要求33的解码方法，还包括根据该量化差值信号及其延迟信号的差值而产生一趋势走向计数信号，据以产生一补偿信号，以补偿该调节指示信号。

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