CN1965484A - 针对采样值自动确定属于码字的值范围边界的方法和设备 - Google Patents

Abstract

尤其阐述一种方法，在该方法中在量化特性曲线的自适应的和逐段的匹配中，将阶跃(170)插入到量化特性曲线段(A3)中，或者将阶跃从量化特性曲线段(A3)中去除。

Description

针对采样值自动确定属于码字的值范围边界的方法和设备

本发明涉及一种方法，在该方法中采样值的整个值范围被划分为多个原始值范围(Ursprungswertebereiche)。码字分别被分配给每个原始值范围。

采样值例如在连续信号、例如语音信号或图像信号的时间采样中产生。例如在语音信号的采样中产生0.7V的采样值。

将原始值范围分配给码字可以借助所谓的量化特性曲线来图形表示。量化特性曲线用图形再现采样值和量化值或码字的关联。因为多个采样值被分配给一个起始值或一个码字，所以该量化特性曲线是成阶梯形的。例如0V至0.2V范围内的采样值被分配给二进制码字“0001”。

使用线性量化特性曲线和非线性量化特性曲线，其中与使用线性量化特性曲线相比，在使用非线性量化特性曲线时出现更小的量化误差并且由此出现更小的干扰。量化特性曲线与x轴的交点位于量化特性曲线的水平线上或垂直阶跃线(Sprunglinie)上。

具有非线性量化特性曲线的量化尤其可以这样进行：

-通过使用非线性量化特性曲线，

-通过使用线性量化特性曲线以及采样值的在先的非线性变换，或者

-在生成中间码字的情况下通过具有与在随后传输时的不同码字的数目相比更大的量化级数目的线性量化，其中接着根据中间码字通过非线性二进制换算确定要传输的码字。

本发明的任务在于说明一种用于针对采样值自动确定属于码字的值范围边界的简单方法，其中该方法尤其应该能够实现具有小的量化误差和小的干扰的量化。此外还将说明一种设备，利用该设备尤其可以执行根据本发明的方法。

本发明从以下考虑出发，即迄今在选择量化特性曲线时在线性量化特性曲线的情况下或者在非线性量化特性曲线的情况下没有适应性地考虑采样值的分布密度。然而采样值的分布密度依赖于时间。统计分布密度也可以以简单的方式来测定并且用于适应性方法。

如果例如大多数采样值x(i)位于范围-2＜x＜+2中，其中i说明采样时刻，则该值范围应该配备小的量化步长。而位于该范围之外的范围x＜-2和x＞+2应该更粗地被量化，即在这些范围内被分配给一个码字的值范围应该具有这样的范围边界，与针对位子具有小的量化步长的范围内的码字的值范围的范围边界相比，这些范围边界在线性的数值标度(Zahlenskala)上彼此更加远离。

因此在根据本发明的方法中除了开头所提及的方法步骤之外执行以下方法步骤：

-针对一个采样间隔的采样值、例如针对该采样间隔的所有采样值或者针对该采样间隔的有代表性的采样自动测定位于原始值范围内的采样值的数目，

-根据所测定的数目自动确定改变后的值范围的边界，以及

-自动将码字分配给该改变后的值范围。

通过这种处理方式，简单地实现量化分辨率与采样值在值范围或码字上的统计分布的匹配。在利用这样生成的量化特性曲线进行量化时的信噪比(Signal-Rausch-Abstand)是小的。量化特性曲线例如周期性地被更新，其中根据要采样的信号的变化曲线来选择周期持续时间、特别是恒定的周期持续时间或者值自适应地匹配于要采样的信号的周期持续时间。替代地或附加地，量化特性曲线也可以根据预先给定的事件的出现、例如在检测到语音暂停或者在检测到要传输的信号的音调变化时来更新。

在一种改进方案中，根据针对原始值范围所测定的采样值数目确定改变后的值范围的至少一个值范围边界，其中该值范围边界的值位于原始值范围中。换句话说，原始量化特性曲线的水平线被分为两个通过阶跃分开的水平线或者被分为多个分别通过阶跃彼此分开的水平线，以便提高在以所考虑的采样间隔出现非常多的采样值的范围内的采样分辨率。

在一种替代的改进方案中，根据所测定的采样值数目，整个原始值范围成为改变后的值范围的一部分，该改变后的值范围大于该原始值范围并且被分配给唯一的码字。换句话说，原始值范围的值范围边界被去除，而无需为此确定改变后的值范围的一个值范围边界或多个值范围边界。因此，所涉及的特性曲线段中的量化分辨率被降低。

在下一改进方案中，针对所有原始值范围执行该方法，使得整个量化特性曲线被更新。在一种扩展方案中，在此所有原始值范围按它们被布置在整个值范围中的顺序、例如随着增大的下边界值被处理。

在下一改进方案中，栗样间隔中的采样值的数目等于原始值范围的数目或者等于原始值范围的数目的整数倍。在第一种情况中，在插入阶跃时，要插入的阶跃的数目与采样值在所涉及的原始值范围中出现的数目一致。当在原始值范围中没有出现采样值时，阶跃被去除。在第二种情况中，可以用整数值来计算。

在一种改进方案中，根据校正规定执行改变后的值范围的强制划分或强制组合。特别是对于语音的传输来说通常需要不均匀的量化，以便在大的动态范围上将信噪比保持恒定。为此例如在传统的量化中使用A特性曲线或μ特性曲线。通过这些特性曲线来实现小的信号幅度更精细地被量化并且大的信号幅度为此更粗地被量化。可以使用与这些特性曲线可比较的函数，以便保证特别是在小信号幅度的情况下不出现太大的量化步长。但是同样可以防止在大信号幅度的情况下不再进行量化。

此外本发明还涉及一种用于针对采样值自动确定属于码字的值范围边界的设备。该设备特别适合于执行根据本发明的方法或其改进方案，因此上述技术效果也适用于该设备。

在一种改进方案中，该设备包含处理器，该处理器在执行程序时提供原始分配单元、测定单元和确定单元的功能。在一种替代的改进方案中，该设备包含电路装置，该电路装置不包含处理器并且提供所提及的单元中的至少一个单元的功能或所有这些单元的功能。用于模/数转换器的已知的电路这样被修改，使得作为基础的特性曲线的改变被考虑。

在一种扩展方案中，量化特性曲线的更新不仅在发送机侧而且在传输侧被执行，其中量化值在位于发射机和接收机之间的传输线路上被传输。在这种处理方式中，改变后的特性曲线不必被传输。

而在一种替代的扩展方案中，改变后的特性曲线只是在发送机侧被测定。改变后的特性曲线于是与要传输的数据一同被发送给接收机单元。通过该措施，不必在接收机侧计算量化特性曲线。

下面借助附图对本发明的实施例进行阐述。

其中：

图1示出采样值序列的采样值，该采样值序列中的一部分采样值被用于改变量化特性曲线；

图2示出量化阶跃的去除；

图3示出量化阶跃的插入；以及

图4示出最初的量化特性曲线和由此生成的被改变的量化特性曲线。

图1示出被分配给采样时间标度10的采样值x(k)，这些采样值是在以恒定的采样间隔对连续信号进行采样的情况下生成的，其中k是自然数，该自然数说明在采样序列中的位置，在该采样序列中采样值x(k)按其生成的顺序、即随着递增的采样时间排列。在采样序列中的位置由此正好可以被分配给一个采样时刻，在该采样时刻，从具有已知的采样时刻的位置出发，根据所涉及的位置位于参考位置之前还是之后，将位置差与采样间隔持续时间相乘并且从已知的采样时刻中减去或者加到该时刻上。

参考采样值x(k0)属于位置k0，例如属于位置250。在处理参考采样值x(k0)时，也进行量化特性曲线的更新，参见垂直线20。为了测定当前的量化特性曲线，对位于参考采样值x(k0)之前的R个采样值x(k0-R)至x(k0-1)执行开窗操作(Fensterung)，其中R是自然数。若k0表示位置250，则在R＝12时采样值x(238)至x(249)位于该窗口中。

为了更简单地阐述，在图1中所有采样值x(k)都具有相同的大小，例如因为在时间上恒定的信号被采样。然而通常采样值x(k)是彼此不同的，因为存在在时间上变化的信号。

在该实施例中，窗口长度R与状态或码字的数目N一致，这些状态或码字可以通过要传输的二进制数b(j)来表示，其中j是用于标识状态或码字的整数。例如码字b(1)具有值0001。

为了改变量化特性曲线而要执行的步骤在下面借助图2至图4来进一步阐述。改变后的量化特性曲线被用于传输采样值x(k0)至x(k0+V)，其中V是尤其大于100的自然数。

在传输了V个采样值x(k)之后，特性曲线被重新更新，参见垂直线30。例如特性曲线以在50毫秒至100毫秒的范围内的间隔被更新。采样率例如为每秒8000个。采样时间标度50说明相对于参考采样值x(k1)重新执行该方法，其中该参考采样值与采样值x(k0+V)相同。

在R＝12的情况下，例如位于采样值x(k1)之前的12个采样值x(k1-1 2)至x(k1-1)被用于重新改变量化特性曲线。随后借助重新改变的量化特性曲线来传输采样值x(k1)至k1+V-1。

在每次改变量化特性曲线时，首先使用量化采样值x(kn-R)至x(kn-1)所利用的特性曲线，其中n是用于说明参考位置的自然数。例如从左向右逐段地进一步研究量化特性曲线的水平部分，其中每个水平部分形成一段。中间的段分别通过两个阶跃来形成边界。在每段中都嵌入与所传输的被量化的值b(j)一样多的阶跃。在此例如执行借助图2和3所阐述的步骤。

图2示出相对于原始量化特性曲线的段A1的量化阶跃100的去除，而没有将量化阶跃相应地插入改变后的特性曲线中。量化阶跃100邻接段A1的水平线102，并且邻接位于段A1右边的段的水平线104。量化特性曲线的改变通过箭头110来表示。在改变后的量化特性曲线中的段A2的右边缘不再有阶跃。水平线112与位于段A2右边的段或段部分的水平线113共同形成一条水平线。段A1和A2具有相同的长度、例如长度1，并且被分配给就采样值x(k)的大小而言相同的采样值范围，例如被分配给相同的电压范围。如果在开窗时所检测到的采样值中不包含值位于范围A1中的采样值，则阶跃被去除。

图3示出相对于原始量化特性曲线的特性曲线段A3插入量化阶跃。原始量化特性曲线在段A3中具有恒定的值，因此出现水平线150，该水平线在段A3的左端由阶跃152形成边界并且在段A3的右端由阶跃154形成边界。量化特性曲线的转变通过箭头160来表明。段A4具有与段A3相同的长度，并且针对相同的采样值范围被划分为具有彼此相同的长度的两个段A5和A6。在段A5和段A6之间的边界处插入阶跃170，该阶跃位于水平线172和水平线174之间。

阶跃170与左边邻接的水平线172形成一个阶梯，其中线172可以被称为阶梯基线。同样，阶跃170与在右边邻接其的水平线174一同形成一个阶梯，其中线174于是被称为阶梯盖线。

换句话说，水平线通过具有相同的总宽度的模块来代替。在开窗期间在段A3中所传输的值的数目对应于要插入的阶跃的数目。若针对b(j)所传输的逻辑值的数目例如为2，如果段A3的长度等于1，则在离段A4的左边缘1/4的距离中插入一个阶跃，并且在离段A4的右边缘1/4的距离中插入另一个阶跃。替代地，在离段A4的左边缘1/3的距离中以及在离段A4的右边缘1/3的距离中布置所述阶跃。

如果针对码字B(j)所传输的逻辑值的数目例如为3，则在水平线150的范围内、例如在相对于段A4的左边缘1/6、3/6和5/6处插入三个阶跃。相应地在要利用码字B(j)传输的逻辑值的数目为n的情况下，在水平线150的位置处插入n个阶跃，其中两个外面的阶跃例如位于1/n或1-1/n处，并且其余的n-2个阶跃以均匀的间距被布置在所述外面的阶跃之间。

图4在坐标系202中示出原始量化特性曲线200，该坐标系具有水平的x轴204和垂直的y轴206。在x轴204上示出了在-6至+6范围内的采样值x。在y轴上示出了码字b、特别是码字b(-6)至b(+6)。在该实施例中，码字的数目N等于12。量化特性曲线200以及由此生成的量化特性曲线、特别是量化特性曲线210分别具有N、即12个量化级，N-1个阶跃位于这N个量化级之间，例如参见阶跃212。

量化特性曲线200曾被用于传输在时刻或采样位置k0-R至k0-1的采样值x(k0-R)至x(k0-1)。特性曲线200具有以下分布：

- -6＜x≤-4    得到码字b(-6)，

- -4＜x≤-3.5  得到码字b(-5)，

- -3.5＜x≤-3  得到码字b(-4)，

- -3＜x≤-2.5  得到码字b(-3)，

- -2.5＜x≤-2  得到码字b(-2)，

- -2＜x≤0     得到码字b(-1)，

- 0＜x≤+2     得到码字b(1)，

- +2＜x≤+2.5  得到码字b(2)，

- +2.5＜x≤+3  得到码字b(3)，

- +3＜x≤+3.5  得到码字b(4)，

- +3.5＜x≤+4  得到码字b(5)，

- +4＜x≤+6    得到码字b(6)。

在采样时刻k0-R至k0-1传输采样值x(k0-R)至x(k0-1)时，应该已传输了以下码字：

-b(-5)被传输了三次，

-b(-6)、b(6)和b(5)分别被传输了两次，

-b(-4)和b(4)分别被传输了一次，并且

-码字b(-3)、b(-2)、b(-1)、b(1)、b(2)和b(3)没有被传输。

因为码字b(-6)被传输了两次，所以范围-6＜x≤-4获得两个阶跃220、222，由此确定直到点224的量化特性曲线210。

码字b(-5)被传输了三次，并且具有范围-4＜x≤-3.5。相应地该范围获得三个阶跃230、232和234，由此确定直到点236的量化特性曲线210。

码字b(-4)被传输了一次，并且具有范围-3.5＜x≤-3。因此在该范围中插入一个阶跃240，由此确定直到点242的量化特性曲线210。

逻辑值b(-3)、b(-2)、b(-1)、b(1)、b(2)和b(3)没有被传输。因此在所属的范围-3＜x≤-2.5；-2.5＜x≤-2；-2＜x≤0；0＜x≤+2；+2＜x≤+2.5和+2.5＜x≤+3内不插入阶跃，参见量化特性曲线210从点242经过点250、252、254、256和260直至点262的分布。

逻辑值或码字b(4)被传输了一次。因此，量化特性曲线200的属于该码字b(4)的范围+3＜x≤+3.5在量化特性曲线210中获得一个阶跃270，以致确定直到点272的量化特性曲线210。

码字b(5)被传输了两次。因此所属的范围+3.5＜x≤+4在改变后的量化特性曲线210中获得两个阶跃280和282，由此确定直到点284的量化特性曲线210。

逻辑值b(6)被传输了两次，使得两个阶跃290和292被分配给所属的范围+4＜x≤+6。由此确定量化特性曲线210的整个分布。

阶跃220、222、230、234、240、270、280、282和290的高度相同，即这些阶跃的垂直的或与y轴206平行的阶跃线的长度彼此相同。然而在传输码字或逻辑值时，并不取决于码字之间的欧几里得距离，而是仅仅取决于它们的顺序，该顺序是用于反变换所需的。在接收机侧的反变换中，将在发送机侧被分配给该码字的范围内的值、例如该范围的中值、范围下边界或范围上边界分配给该码字。

而在另一实施例中，代替逻辑值或码字传输舍入(gerundete)的物理值。在这种情况下，阶跃的位置或阶跃高度与x轴上的值范围匹配。特别是窄的值范围导致小的阶跃高度并且宽的值范围导致大的阶跃高度。水平线的位置例如与所涉及的x轴范围的中值一致。这种表示形式特别是在没有软件组件的纯电路技术解决方案中被使用。

对于量化特性曲线210来说以下范围边界适用：

-针对码字b(-6) -6＜x≤-5.5，

-针对码字b(-5) -5.5＜x≤-4.5，

-针对码字b(-4) -4.5＜x≤-3.9167，

-针对码字b(-3) -3.9167＜x≤-3.75，

-针对码字b(-2) -3.75＜x≤-3.583，

-针对码字b(-1) -3.583＜x≤-3.25，

-针对码字b(1) -3.25＜x≤+3.25，

-针对码字b(2) +3.25＜x≤+3.625，

-针对码字b(3) +3.625＜x≤+3.875，

-针对码字b(4) +3.875＜x≤+4.5，

-针对码字b(5) +4.5＜x≤+5.5，以及

-针对码字b(6) +5.5＜x≤+6。

由此根据对称的量化特性曲线200产生非对称的量化特性曲线210。对称的量化特性曲线是对具有均值零的采样值的暗示。

借助图4所阐述的量化特性曲线200至量化特性曲线210的转变在实施例中借助处理器来进行，该处理器执行程序的指令序列。针对每个码字仅仅存储上面所说明的范围边界。范围边界例如可以从发射机传输至接收机，使得在接收机中不必执行所阐述的方法。然而，替代地，用于将特性曲线200转变为量化特性曲线210的方法不仅在发射机中而且在接收机中被执行。

在另一实施例中，改变后的量化特性曲线210通过以下方式再次被校正，即例如在范围-3.25＜x≤+3.25中插入两个强制阶跃。在这种情况下，与码字的数目相比，窗口中的采样值R的数目减小了值2。此外，本方法还以相同的方式被执行用于转变量化特性曲线200。

在另一实施例中，针对分别所观察的段所传输的采样值的数目被加权。因此对于具有量值小的幅度值的范围来说应放大所检测的数目。对于具有大的幅度值的范围来说应相应地缩小所检测的数目。为此例如提供标准化的A特性曲线，如从脉冲编码解调中已知的那样。

借助所阐述的方法可以使量化特性曲线200、210局部地并且动态地匹配于要传输的采样值。

在另一种实施例中，量化级的数目大于或小于12，例如为256。

本发明可以一般地被应用于例如测量或控制技术领域中的所有的模数转换器中以及所有的数模转换器中。特别地，本发明不仅被用在语音数据、特别是在打电话时所产生的语音数据的处理、例如压缩或者传输中，而且被用在图像数据的传输中。语音数据例如在连接交换的时隙信道中或者在数据分组中、特别是在根据因特网协议(IP)的数据分组中传输。

边界20和30例如被这样设置，使得针对位于这些线之间的采样值产生在相同的数据分组中传输的码字，其中优选地只有这些码字而没有另外的码字在该数据分组中被传输。特别是针对每个包含属于采样序列的采样值的码字的数据分组执行特性曲线匹配。

Claims (10)

1.用于针对采样值(x(k))自动确定属于码字(b(j))的值范围边界的方法，

-其中将采样值(x(k))的整个值范围划分为多个原始值范围，

-其中给所述原始值范围分别分配一个码字(b(j))，

-其中针对一个采样间隔(R)的采样值(x(k))测定位于原始值范围(A3)中的采样值(x(k))的数目，

-其中根据所测定的数目确定改变后的值范围(A5)的至少一个边界，以及

-其中将所述改变后的值范围(A5)分配给一个码字(b(j))。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，

根据所测定的原始值范围(A3)的采样值(x(k))的数目确定改变后的值范围的至少一个值范围边界(170)，该值范围边界的值位于该原始值范围内。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，

值位于该原始值范围内的值范围边界的数目与采样值的数目成比例，特别是等于针对该原始值范围所测定的采样值(x(k))的数目。

4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，

根据所测定的采样值(x(k))的数目，整个原始值范围(A1)成为改变后的值范围的一部分，该改变后的值范围大于该原始值范围(A1)并且被分配给唯一的码字。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，

所测定的数目具有值0。

6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，

针对所有原始值范围特别是按所述原始值范围被布置在整个值范围内的顺序来执行该方法。

7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，

所述采样间隔中的采样值(x(k))的数目(R)等于所述原始值范围的数目(N)或者等于所述原始值范围的数目(N)的整数倍。

8.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，

根据校正规定进行改变后的值范围的强制划分或强制组合。

9.用于针对采样值(x(k))自动确定属于码字(b(j))的值范围边界的设备，

-具有原始分配单元，该原始分配单元将整个值范围的多个原始值范围分别分配给一个码字(b(j))，

-具有测定单元，该测定单元针对一个采样间隔(R)的采样值(x(k))测定位于原始值范围(A3)中的采样值(x(k))的数目，以及

-具有确定单元，该确定单元根据所测定的数目确定改变后的值范围(A5)的至少一个边界，并且该确定单元将码字(b(j))分配给改变后的值范围(A5)。

10.根据权利要求9的设备，其特征在于，

该设备包含处理器，该处理器在执行程序时提供至少一个单元的功能，或者

该设备包含电路装置，该电路装置不包含处理器并且该电路装置提供至少一个单元的功能。

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