DE19511773A1

DE19511773A1 - Verfahren zum Verarbeiten eines Signals

Info

Publication number: DE19511773A1
Application number: DE1995111773
Authority: DE
Inventors: Hein Dr Soeren
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1996-10-02
Also published as: WO1996030826A1

Description

Es werden in zunehmendem Maße Audio- und auch Videodaten di gitalisiert und als digitale Daten abgespeichert. Dies bedarf jedoch einer erheblichen Speicherkapazität, die vor allem dann, wenn die Datenträger klein und handlich sein sollen Probleme bereiten. Aus diesem Grund wurden Verfahren ent wickelt, die die Datendichte reduzieren sollen. Dies wird z. B. bei Videosignalen dadurch erreicht, daß nicht mehr jedes komplette Bild bzw. dessen digitalisierte Abtastwerte gespei chert werden, sondern nur noch die eventuell bewegungskompen sierte Änderung von einem Bild zum anderen. Da die Kodierung einer Änderung von einem Abtastwert zu einem zeitlich folgen den Abtastwert weniger Bits erfordert als die Abtastwerte selbst, läßt sich durch solche Verfahren der Datenfluß und somit die pro Zeiteinheit erforderliche Datendichte reduzie ren.

Die auf diese Weise kodierten Daten müssen jedoch zur Wieder gabe der gespeicherten Audio- bzw. Videoinformation wieder dekodiert werden, d. h., es müssen die ursprünglichen Abtast werte wieder rekonstruiert werden. Damit solche abgespeicher ten Daten von beliebigen Abspielgeräten wiedergegeben werden können, sind die Kodierungs- und Dekodierungsverfahren stan dardisiert worden. Im Audiobereich wurde unter der Nummer ISO/IEC 11172-3 der MPEG-1 Standard definiert.

Im Rahmen vorliegender Erfindung soll nur ein Teil des Deko dierverfahrens des MPEG-1 Standards betrachtet werden. Dieser Teil ist in Fig. 1 als Flußdiagramm dargestellt. Er betrifft die Erzeugung eines aus 32 Abtastwerten A_j, j=0 . . . 31 beste henden Ausgangssignals, bei dem jeder Abtastwert A_j durch eine Summe ausgewählter Teile transformierter und gewichteter aktueller Eingangswerte sowie einer definierter Anzahl zeit lich früherer transformierter und gewichteter Eingangswerte gebildet wird.

Bei dem bekannten Verfahren werden zunächst Elemente Vi einer 1024 Elemente umfassenden ersten Datengruppe V um eine Anzahl von 64 Elementen geschoben, so daß die letzten 64 Elemente wegfallen. Die ersten 64 Elemente V_i, i=0 . . . 63 werden aus den Abtastwerten E_i, i=0 . . . 31 mittels im Standard definier ter Werte einer Matrix N gemäß der Formel

i=0 . . . 63 berechnet. Danach werden aus ausgewählten Werten der ersten Datengruppe V eine um die Hälfte reduzierte Hilfs gruppe U gebildet und deren Werte mit jeweils entsprechenden Werten einer ebenfalls im Standard definierten zweiten Daten gruppe D gewichtet. Die Ausgangswerte A_j, j=0 . . . 31 werden dann durch die Summe ausgewählter Werte aus den Daten dieser gewichteten Hilfsgruppe gebildet. Die Auswahl und die Wich tung lassen sich zusammenfassen, so daß sich die Ausgangs werte A_j durch die Beziehung

ergeben.

Bei der Erzeugung dieser Ausgangswerte beispielsweise mittels eines Digitalsignal-Prozessors, DSP genannt, werden gleiche Operationen mit unterschiedlichen Indizies mittels Schleifen durchgeführt. Zur Durchführung von Multiplikationen mit Akku mulation der einzelnen Multiplikationsergebnisse gibt es ei nen speziellen Befehl, der eine Autoinkrementfunktion umfaßt, der also die zu adressierenden Speicherzellen, an denen ein Multiplikant oder Multiplikator steht, selbsttätig inkremen tiert.

Allerdings ist bei einfachen und damit billigen DSPs diese Autoinkrementfunktion auf kleine Inkremente beschränkt. Bei der gegebenen Beziehung ist aber ein Inkrement von 64 und 128 der D- bzw. V-Werte nötig. Das führt dazu, daß die Inkremen tierung durch zusätzliche Befehle durchgeführt werden muß, deren Ausführung erhebliche zusätzliche Zeit erfordert, zumal sie bei jedem Einzelzyklus anfällt. Auch bei fest verdrahte ten Realisierungen zur Erzeugung der Ausgangswerte S_j aus Eingangswerten S_i ist durch das große Inkrement ein zusätzli cher Schaltungsaufwand und damit auch höhere Signallaufzeiten erforderlich.

Ein weiteres Problem stellt die Schiebeoperation dar. Hier müssen 1024-64=960 Operationen durchgeführt werden. Aus die sem Grund wird der Speicher, indem die Werte der ersten Da tengruppe V gespeichert sind als Ringspeicher, bei dem dann lediglich der Anfangswert des Adresszählers geändert werden muß, ausgeführt. Allerdings wirkt er nur nach außen als Ring speicher. Physikalisch ist er üblicherweise als normaler Speicher ausgeführt, wobei jedoch die Adresse mit einem Modu lozähler ermittelt wird. Ein solcher Adresszähler beginnt nach Erreichen der Adresse 1023 wieder bei der Adresse 0.

Die bereits erwähnten einfachen und billigen DSPs weisen häu fig keinen speziellen Modulobefehl auf, so daß dieser aus an deren Befehlen konstruiert werden muß, was wiederum im Ablauf der Berechnung viel Zeit bzw. bei Realisierung mit einer festverdrahteten Schaltung zusätzlichen Schaltungsaufwand kostet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren anzu geben, bei dem der standardisierte Ablauf mit einem einfachen DSP oder mit wenigen und einfachen Schaltungsmitteln durchge führt werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü chen angegeben.

Die Erfindung besteht also darin, daß die aus den aktuellen Eingangsdaten E_i ermittelten neuen Elementewerte der ersten Datengruppe V an derartige Adressen einer erfindungsgemäß ge änderten Datengruppe V′ geschrieben werden, daß sie mit einem niederen Inkrement, das mit der Autoinkrementfunktion eines DSP ausführbar ist, ausgelesen werden können. Für ein Inkre ment von 1 würden die Elemente der geänderten ersten Daten gruppe V′, in folgender Reihenfolge abgespeichert sein, wobei die angegebenen Zahlenwerte den Ort des Elements in der nicht geänderten ersten Datengruppe V angeben:

Die geänderte erste Datengruppe V′, ist hier zwar aus Platz gründen als Matrix dargestellt, die Darstellung ist jedoch so zu interpretieren, daß sie spaltenweise gelesen wird und die einzelnen Spalten hintereinander stehen. Das heißt, das nullte Element der geänderten ersten Datengruppe V′, ent spricht dem nullten Element der nicht geänderten Datengruppe V, das erste Element der geänderten ersten Datengruppe V′, entspricht dem 128igsten Element der nicht geänderten ersten Datengruppe V usw.

Es wird in erfindungsgemäßer Weise auch die zweite Datengrup pe D zu einer geänderten zweiten Datengruppe D′, umorgani siert, wobei diese geänderte zweite Datengruppe D′ jedoch fest abgespeichert ist und nicht verändert wird. Die Reihen folge der Elemente der geänderten zweiten Datengruppe D′, ist für ein Inkrement von 1 dann entsprechend

wobei für die Interpretation der Darstellung dasselbe gilt wie für die geänderte erste Datengruppe V′.

In Weiterbildung der Erfindung wird durch eine erfindungsge mäße Verdoppelung der Zahl der Elemente entweder der geänder ten ersten Datengruppe V′′ oder der geänderten zweiten Daten gruppe D′ auch die Modulooperation beseitigt. In vorteilhaf ter Weise wird dabei die zweite Datengruppe D′ verdoppelt, da sie nur M/2=512 Elemente umfaßt anstatt M=1024 Elemente der ersten Datengruppe V′ und somit nur 512 weitere Speicherplät ze nötig sind. Außerdem ist das Ändern der zweiten Daten gruppe nur einmal nötig, während ein Ändern der ersten ersten Datengruppe durch Einschreiben einer doppelten Anzahl von Daten in jedem Zyklus erfolgt.

Die Wirkung der Verdoppelung der Elementezahl einer der Datengruppen V′ bzw. D′, sei an folgendem einfachen Beispiel erläutert. Die Werte einer Vierelement-Datengruppe seien in der Reihenfolge [0, 1, 2, 3] gespeichert. Ein üblicher Spei cher mit einem Modulo4-Adresszähler soll einen Ringspeicher emulieren. Eine Schiebeoperation wird durch Verändern des An fangswerts des Adresszählers durchgeführt. Ein Verschieben um beispielsweise 2 Stellen wird also zu einem neuen Anfangswert des Zählers von 2 führen, so daß die Elemente in der Reihen folge [2, 3, 0, 1] ausgelesen werden.

Durch Verdoppelung des Speicherumfangs in der Form [0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3] könnten die Elemente in der Reihe [2, 3, 0, 1] bei einem Adresszähleranfangswert von 2 ausgelesen werden, ohne daß ein Modulozähler nötig wäre.

Eine erfindungsgemäße Anordnung der Elemente einer doppelt geänderten zweiten Datengruppe D′′ wäre dann bei einem Inkre ment 1 folgendermaßen gegeben.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm des standardisierten Verfahrens,

Fig. 2 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens mit geänderter erster und zweiter Datengruppe V′, D′,

Fig. 3 ein Flußdiagramm des weitergebildeten erfindungsge mäßen Verfahrens mit doppelt geändert er zweiten Da tengruppe D′.

Fig. 2 zeigt das Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Ver fahrens. In einem ersten Schritt wird eine neue, aktuelle Gruppe neuer Datenelemente E_i, i=0 . . . 31 zwischengespeichert. Das Verfahren gilt natürlich ganz allgemein für eine Anzahl m von Daten pro Gruppe. Beim MPEG-1 Standard wurde jedoch m=32 festgelegt. In einem zweiten Schritt werden Hilfsvariablen half0, half1, pos0, pos1 berechnet. Die Werte, die diese Koeffizienten annehmen, hängen zum einen von der Anzahl der Elemente der ersten Datengruppe V ab, die in MPEG-1 Standard mit M=1024 definiert ist. Daraus ergibt sich, daß die Koeffi zienten mit half0 und half1 abhängig vom Wert einer Variablen offset entweder 0 oder M/2= 512 annehmen. Die Koeffizienten pos0 und pos1 berechnen sich in der angegebenen Weise aus der Variablen offset, wobei sich diese Variable offset bei jedem neuen Einlesen aktueller Eingangsdaten E_i in der angegebenen Weise aus dem bisherigen Wert der Variablen offset berechnet. Die in Fig. 2 gewählte Darstellung ist hierbei nicht als ma thematische Gleichung zu verstehen, sondern als Zuordnung.

Mit Hilfe dieser Variablen werden in einem dritten Verfah rensschritt Adressen der erfindungsgemäß geänderten ersten Datengruppe V′ ermittelt. An diese Adressen werden Werte ge schrieben, die gemäß der im Verfahrensschritt 3 der Fig. 2 angegebenen Beziehung aus den Eingangsdaten durch Transforma tion mit der im MPEG-1 Standard angegebenen Matrix N ermit telt wurden. Im vierten Verfahrensschritt werden schließlich die Ausgangsdaten A_j, j=0 . . . 31 gemäß der dort angegebenen Beziehung ermittelt. Wie deutlich zu sehen ist, ist der für die Berechnung eines Ausgangsdatums A_j hochzuzählende Index i nur noch jeweils um 1 zu inkrementieren, so daß hierfür ein einfacher Digitalsignalprozessor verwendet werden kann. Dies ist möglich, weil die Elemente der geänderten ersten und der geänderten zweiten Datengruppe V′, D′ in erfindungsgemäßer Weise gemäß der obenangegebenen Darstellung angeordnet sind.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist zur Berechnung der Aus gangsdaten A_j jedoch nach wie vor eine Modulooperation bei jedem Schritt der Summenbildung nötig. Durch eine erfindungs gemäße Verdoppelung der Anzahl der Elemente der zweiten Da tengruppe D zu einer doppelt geänderten zweiten Datengruppe D′′, gemäß obiger Darstellung lassen sich die Ausgangsdaten A_j gemäß dem in Fig. 3 dargestellten vierten Verfahrens schritt ohne diese Modulooperation bestimmen. Prinzipiell wä re es natürlich genauso gut möglich, die Anzahl der Elemente der ersten Datengruppe V′ zu verdoppeln, wodurch die Modulo operation ebenfalls eingespart werden kann.

Durch die erfindungsgemäß neue Anordnung der Elemente der ersten und zweiten Datengruppe V, D in geänderten ersten und zweiten Datengruppen V′ bzw. D′ sowie in Weiterbildung durch eine erfindungsgemäße Verdopplung einer dieser geänderten Da tengruppen lassen sich sowohl das im MPEG-1 Standard vorgese hene hohe Inkrement als auch die nötige Schiebeoperation bzw. bei Verwendung eines Ringspeichers nötige Modulooperation vermeiden, so daß ein einfacher und billiger Digitalsignal prozessor verwendet oder aber eine fest verdrahtete Anordnung mit einfachen Schaltungsmitteln erzeugt werden kann. Die Bei spiele gingen von einem Inkrement von 1 aus, es ist für den Fachmann jedoch jederzeit möglich ein anderes niederes Inkre ment von 2, 3, . . . zu verwenden und die angegebenen Formeln entsprechend zu verändern.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln einer Gruppe von Daten (A_j; j=0. . .m-1) eines aus einer Folge solcher Datengruppen gebil deten digitalen Ausgangssignals (A),
wobei ein Datum (A_j) einer solchen Ausgangssignal-Datengruppe (A_j; j=0. . .m-1) aus der Summe gewichteter, jeweils aus vorbe stimmten Gruppen stammender Daten (E_i) eines aus einer Folge von Datengruppen (E_i; i=0. . .m-1) gebildeten digitalen Ein gangssignals (E) gebildet wird, und
wobei die einzelnen Daten einer Datengruppe des Eingangssi gnals (E) sukzessive derart in Speicherplätze eines Speichers eingeschrieben werden, daß die zur Bildung eines Ausgangssi gnal-Datums (A_j) benötigten Daten des Eingangssignals (E_i) an aufeinanderfolgenden Adressen des Speichers stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangssignal-Datengruppe (A_j; j=0 . . . m-1) durch Verar beiten von Datengruppen des aus einer Folge von Gruppen mit jeweils einer Anzahl (m) digitaler Daten (E_i; i=0 . . . m-1) ge bildeten Eingangssignals (E) mittels einer ersten, eine erste Anzahl (M) Elemente (V′_j; j=0 . . . M-1) aufweisenden Datengruppe (V′) sowie einer zweiten, eine zweite Anzahl (M/2) Elemente (D′_k; k=0 . . . M/2-1) aufweisenden Datengruppe (D′) mit folgen den Schritten ermittelt wird:

- Ermitteln von Koeffizienten half0, half1, pos0 und pos1 gemäß der Beziehungen:
offset=(offset-1)modulo (M/(2m))
wenn offset gerade ist, dann sind
half0=0, pos0=offset/2,
half1=M/2, pos1=pos0,
wenn offset ungerade ist, dann sind
half0=M/2, pos0=(offset-1)/2
half1=0, pos1=(pos0+1)modulo (M/4m)),
- Ermitteln der Werte von Elementen (V′_{half0+pos0+8i}; i=0. . .63) der ersten Datengruppe (V′) gemäß der Beziehung wobei die N_ik Elemente einer Matrix N sind,
- Ermitteln der Daten (A_j) des digitalen Ausgangssignals (A) gemäß der Beziehung mit j=0 . . . m-1,
- wobei die Elemente (D′_k) der zweiten Datengruppe (D′) in der Reihenfolge
[0,64 . . . 448, 32,96 . . . 480, 1,65 . . . 449, 33,97 . . . 481 . . . 31,95 . . . 479, 63,127 . . . 511]
abgespeichert sind, wobei die Zahlenwerte die Elementenum mern einer standardisierten Datengruppe (D) angeben.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Daten (A_j) des Ausgangssignals (A) gemäß der Beziehung mit j=0 . . . m-1 erfolgt,

- wobei die Werte D′′_k Elemente einer gegenüber der zweiten Datengruppe (D′) geänderten zweiten Datengruppe (D′′) mit doppelter Elementeanzahl (M) sind, die in der Reihenfolge
[0,64 . . . 448, 0,64 . . . 448, 32,96 . . . 480, 32,96 . . . 480, 1,65 . . . 449, 1,65 . . . 449, 33,97 . . . 481, 33,97 . . . 481, 31,95 . . . 479, 31,95 . . . 479, 63,127 . . . 511, 63,127 . . . 511]
angeordnet sind, wobei die Zahlenwerte die Elementenummern eines standardisierten Vektors (D) angeben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangssignal-Datengruppe (A_j; j=0 . . . m-1) durch Verar beiten von Datengruppen des aus einer Folge von Gruppen mit jeweils einer Anzahl (m) digitaler Daten (E_i; i=0 . . . m-1) ge bildeten Eingangssignals (E) mittels einer dritten, eine dritte Anzahl (2M) Elemente (V′_j; j=0 . . . 2M-1) aufweisenden Datengruppe (V′′) sowie einer zweiten, eine zweite Anzahl (M/2) Elemente (D′_k; k=0 . . . M/2-1) aufweisenden Datengruppe (D′) mit folgenden Schritten ermittelt wird:

- Ermitteln von Koeffizienten half0, half1, pos0 und pos1 gemäß der Beziehungen:
offset=(offset-1)modulo (M/(2m))
wenn offset gerade ist, dann sind
half0=0, pos0=offset/2,
half1=M/2, pos1=pos0,
wenn offset ungerade ist, dann sind
half0=M/2, pos0=(offset-1)/2
half1=0, pos1=(pos0+1)modulo (M/4m)),
- Ermitteln der Werte von Elementen (V′′_{2half0+2pos0+16i}, V′′_{2half0+2pos0+16i+8}; i=0 . . . 63) der dritten Datengruppe (V′′) gemäß der Beziehung wobei die N_ik Elemente einer Matrix N sind,
- Ermitteln der Daten (A_j) des digitalen Ausgangssignals (A) gemäß der Beziehung mit j=0 . . . m-1 erfolgt,
- wobei die Elemente (D′_k) der zweiten Datengruppe (D′) in der Reihenfolge
[0,64 . . . 448, 32,96 . . . 480, 1,65 . . . 449, 33,97 . . . 481, 31,95 . . . 479, 63,127 . . . 511]
abgespeichert sind, wobei die Zahlenwerte die Elementenum mern einer standardisierten Datengruppe (D) angeben.