DE4447257A1

DE4447257A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Codieren eines digitalen Tonsignals

Info

Publication number: DE4447257A1
Application number: DE4447257A
Authority: DE
Inventors: Sang-Wook Kim; Yeon-Bae Kim; Yang-Seock Seo
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-12-30
Publication date: 1996-01-04
Also published as: KR960002276A; US5673289A; KR100289733B1; JP4091994B2; JPH0816195A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Codieren eines digitalen Tonsignals, mit denen insbesondere die Tonqualität dadurch verbessert wird, daß eine Anzahl von Bits zugeordnet wird, die den menschlichen psychoakustischen Eigenschaften entspricht, und der Quanti sierungsfehler verringert wird.

Es läßt sich allgemein sagen, daß Tongeräte den Benut zern ein Hörerlebnis dadurch bieten, daß ein Tonsignal auf einen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet und das aufgezeich nete Signal vom Aufzeichnungsträger in der gewünschten Weise wiedergegeben wird. In Verbindung mit der jüngsten Entwick lung auf dem Gebiet der digitalen Signalverarbeitung wurden die bestehenden Tongeräte in kürzester Zeit ersetzt. Das heißt, daß Plattenspieler und Magnetbandgeräte zum Aufzeich nen und Wiedergeben analoger Tonsignale durch CD-Spieler und digitale Tonbandgeräte zum Aufzeichnen und wiedergeben digi taler Tonsignale verdrängt wurden. Die digitale Verarbeitung eines Tonsignals verbessert dabei zwar die Tonqualität, sie führt jedoch zu einer starken Zunahme der Datenmenge.

Das Problem der Datenmenge kann dadurch gemildert wer den, daß die menschlichen psychoakustischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Das erfolgt durch das MPEG(Experten gruppe für Bewegtbilder)-Tonsystem, dessen Normen kürzlich durch die internationale Organisation für die Normen von kommerziellen Digitalkompaktkassetten (DCC) und Minidisket ten (MD) festgelegt wurden. Im folgenden wird ein techni sches Verfahren beschrieben, das unter Ausnutzung dieser menschlichen psychoakustischen Eigenschaften arbeitet.

Nachdem die Signale auf Bänder aufgeteilt sind, werden die Signale zu phonetischen Daten oder Tondaten verarbeitet. Es gibt zwei Gründe, die Signale nach einer Aufteilung auf Bänder zu verarbeiten. Der erste Grund, der einen Aspekt der Signalverarbeitung darstellt, besteht darin zu vermeiden, daß ein Quantisierungsfehler die Bänder während der Signal rückbildung stark beeinflußt. Der zweite Grund, bei dem die menschliche Wahrnehmungsfähigkeit berücksichtigt wird, be steht darin, die Einwirkungen des menschlichen Gehörs wäh rend der Signalverarbeitung in geeigneter Weise abzuwägen.

Forschungen auf dem Gebiet des menschlichen Gehörs wurden auf das Gebiet der Psychoakustik ausgedehnt. Studien auf diesem Gebiet haben ergeben, daß Menschen eine Beein trächtigung oder Störung je nach der Intensität von Signalen in einem kritischen Band (dem Verarbeitungsband) und der Stärke des darauf befindlichen quantisierten Rauschens er fahren. Das herkömmliche Verfahren ordnet Bits unter Ver wendung des Maximums des quantisierten Rauschens zu, das in jedem Verarbeitungsband bestehen kann, das jedoch nicht wahrgenommen werden kann, obwohl das menschliche Ohr das Rauschen hören kann.

Bei diesem Verfahren liegt das erzeugte quantisierte Rauschen unter dem Maximum, das in einem gegebenen Verarbei tungsband bestehen kann. Es besteht jedoch das Problem, daß zwar die Summe der quantisierten Rauschanteile ein nicht wahrnehmbarer Quantisierungsfehler ist, daß jedoch eine bestimmte Frequenzkomponente die Grenze des quantisierten Rauschens überschreiten kann.

Um die obigen Probleme des herkömmlichen Verfahrens zu beseitigen, sollen durch die vorliegende Erfindung ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum Codieren eines digitalen Tonsignals geschaffen werden, die einen quantisierten Feh ler, der für jeden Frequenzanteil erzeugt wird, auf ein benachbartes Signal übertragen, um die Summe der Rauschan teile, die in jedem Verarbeitungsband erzeugt werden, und den quantisierten Fehler zu verringern, der für jeden Fre quenzanteil erzeugt wird.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren die folgen den Schritte:

Aufteilen eines digitalen Tonsignals auf mehrere Teil bänder und Ausgeben der aufgeteilten Teilbandsignale,
Zuordnen einer Anzahl von Bits zu jedem Teilbandsignal nach Maßgabe der menschlichen psychoakustischen Eigenschaf ten, und zwar auf der Grundlage der aufgeteilten Teilbandsi gnale, Kompensieren jedes Teilbandsignals durch Empfang eines übertragenen vorhergehenden quantisierten Fehlers,
Quantisieren der kompensierten Teilbandsignale nach Maßgabe der entsprechenden zugeordneten Anzahl von Bits und Über tragen des laufenden quantisierten Fehlers auf die nächste Quantisierung und Bilden eines übertragenen Bitstromes in Paketen aus den quantisierten Daten.

Jedes Teilband ist durch ein kritisches Band mit nicht unterscheidbaren Tonsignalen gekennzeichnet.

Der Bitzuordnungsschritt umfaßt die Schritte: Berechnen des Signalmaskierungsschwellenwertverhältnisses für jedes Teilband als Bandverhältnis, Berechnen der Summe der Band verhältnisse für jedes Teilband, um jedes Kanalverhältnis für mehrere Kanäle zu erhalten, Berechnen eines wichtigten Faktors jedes Kanals nach Maßgabe des Verhältnisses des jeweiligen Kanalverhältnisses zur Summe der Kanalverhält nisse, Zuordnen der Anzahl von Kanalbits aus der Gesamtan zahl von Bits nach Maßgabe des erhaltenen wichtigten Faktors jedes Kanals, Berechnen eines wichtigen Faktors für jedes Teilband nach Maßgabe der Verhältnisse des jeweiligen Band verhältnisses zu jedem Kanalverhältnis und Zuordnen der Anzahl von Bandbits aus der Gesamtanzahl von Kanalbits nach Maßgabe des erhaltenen wichtigen Faktors für jedes Band.

Der oben genannte Maskierungsschwellenwert wird nach den folgenden Verfahrensschritten erhalten: Diskrete Fou rier-Transformation eines analogen Tonsignals und Berechnen der Größe jedes Signal in jedem Teilband des transformierten Signals, Aufteilen der Spektrumswerte in jedem Teilband des Signals auf mehrere kritische Bänder und Berechnen der Summe der Leistung in jedem kritischen Band, Berechnen des Maskie rungsschwellenwertes mittels der Signalfrequenz und der Lei stungssumme, Festlegen des maximalen Maskierungsschwellen wertes in jedem kritischen Band als temporärer Maskierungs schwellenwert im entsprechenden kritischen Band und Verglei chen eines signalfreien Schwellenwertes mit dem temporären Schwellenwert und Festlegen des höheren Wertes dieser beiden Schwellenwerte als endgültiger Maskierungsschwellenwert des entsprechenden kritischen Bandes.

Das Kanalverhältnis jedes Kanals wird offsetkorrigiert, indem ein Produktwert vom minimalen Bandverhältnis unter den Bandverhältnissen multipliziert mit der Anzahl der Bänder abgezogen wird. Die Bitzahl jedes Bandes wird von einem höheren Frequenzanteil zu einem niedrigeren Frequenzanteil unter den Teilbandsignalen unter Berücksichtigung des wich tigen Faktors jedes Bandes zugeordnet. Das Verhältnis jedes Bandes wird dadurch offsetkorrigiert, daß das minimale Band verhältnis von dem Verhältnis jedes Bandes abgezogen wird. Der wichtige Faktor jeden Bandes wird neu aus dem Verhältnis des Bandes erhalten, dem eine Anzahl von Bits nicht zugeord net wurde. Wenn die Bitanzahl eines Bandes zugeordnet ist, kann ein Bandgewicht berücksichtigt werden.

Im Quantisierungsschritt werden die Signale jeden Ban des in Tonsignale und Nichttonsignale unterteilt. Der quan tisierte Fehler, der von einem Tonsignal erzeugt wird, wird durch ein Tonsignal korrigiert und der quantisierte Fehler, der von einem Nichttonsignal erzeugt wird, wird durch ein Nichttonsignal korrigiert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Codieren eines digitalen Tonsignals umfaßt die folgenden Schritte: Aufteilen eines digitalen Tonsignals auf mehrere Teilbänder und Ausgeben der aufgeteilten Teil bandsignale, Zuordnen einer Anzahl von Bits zu einem Teil bandsignal jedes Teilbandes nach Maßgabe der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften, und zwar auf der Grundlage der aufgeteilten Teilbandsignale, Kompensieren jedes Teil bandsignals, indem ein übertragener vorhergehender quanti sierter Fehler empfangen wird, wobei das Bandgewicht berück sichtigt wird, Quantisieren des kompensierten Teilbandsi gnals nach Maßgabe der zugeordneten Anzahl von Bits und Übertragen des laufenden quantisierten Fehlers zur nächsten Quantisierung unter Berücksichtigung des Bandgewichtes und Bilden eines übertragenen Bitstromes in Paketen aus den quantisierten Daten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Codieren eines digitalen Tonsignals umfaßt eine Aufteilungseinheit zum Aufteilen eines digitalen Tonsignals auf mehrere Teilbänder und zum Ausgeben der aufgeteilten Teilbandsignale, eine Bitzuordnungseinheit zum Zuordnen einer Anzahl von Bits zu dem Teilbandsignal jedes Bandes nach Maßgabe der menschli chen psychoakustischen Eigenschaften, und zwar auf der Grundlage der aufgeteilten Teilbandsignale, eine Quantisie rungseinheit zum Kompensieren jedes Teilbandsignals, indem ein übertragener vorhergehender quantisierter Fehler empfan gen wird, das kompensierte Teilbandsignal nach Maßgabe der zugeordneten Anzahl von Bits quantisiert wird und der lau fende quantisierte Fehler zur nächsten Quantisierung über tragen wird, und eine Paketbildungseinrichtung zum Bilden eines übertragenen Bitstromes in Paketen aus den quantisier ten Daten.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Codie ren und Decodieren eines digitalen Tonsignals unter Berück sichtigung der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Quantisierungs algorithmus gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Aufbaus einer Quantisierungseinheit eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wenn ein Tongerät, das unter Berücksichtigung der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften aufgebaut ist, eine Codierung durchführt, dann besteht das Hauptziel der Codierung nicht darin, das erzeugte Rauschen zu entfernen, sondern das Rauschen so zu verarbeiten, daß es nicht wahr genommen wird. Nachdem ein Maskierungsschwellenwert, d. h. ein Pegel erhalten wurde, bei dem ein Mensch ein Eingangs signal zuerst wahrnimmt, das ein anderes verdeckt, und der sich gemäß eines Maskierungsphänomens und gemäß der kriti schen Bänder ändert, werden die Bits nach Maßgabe des wich tigen Faktors unter Verwendung des Verhältnisses zwischen dem Maskierungsschwellenwert und dem quantisierten Rauschen zugeordnet.

Im folgenden werden das Maskierungsphänomen und das kritische Band unter den menschlichen psychoakustischen Eigenschaften, beispielsweise das Maskierungsphänomen eines Gesprächs betrachtet, das in der Nähe einer Eisenbahnlinie stattfindet, wo eine Kommunikation auch mit einer leisen Stimme möglich ist, jedoch dann, wenn ein Zug vorbeifährt, das Gespräch bei der gleichen Tonhöhe unmöglich wird. Das heißt, daß aufgrund einer Wechselwirkung des akustischen Signals des Gesprächs und des akustischen Signals, das durch den Zug erzeugt wird, das gewünschte akustische Signal (des Gesprächs) verdeckt oder maskiert wird, wodurch es schwierig wird, das akustische Signal zu hören, oder das akustische Signal überhaupt nicht gehört werden kann.

Das kritische Band ist ein Bereich, in dem der Ton an der Frequenz nicht unterschieden werden kann, an der ein Signal und das Rauschen einen sehr ähnlichen Frequenzgang haben.

Im allgemeinen wird ein musikalische Information oder eine Sprachinformation über die Zeit übertragen, und besteht der Maskierungseffekt gleichfalls über die Zeit. Bei einer Vormaskierung (oder Rückmaskierung) tritt zuerst ein Signal auf und wird das Signal dann durch eine dem Signal folgende Maskierung verdeckt. Eine Simultanmaskierung ergibt sich dann, wenn Signal und Maskierung gleichzeitig auftreten. Bei einer Nachmaskierung (oder Vorwärtsmaskierung) wird ein Signal verdeckt, das nach dem Auftreten der Maskierung er zeugt wurde. Diese Erscheinung tritt beispielsweise dann auf, wenn ein anhaltend lautes Signal (beispielsweise in einer Diskothek) über ein Zeitintervall gehört wird, wonach Signale mit normalem Pegel nicht gehört werden können, bis die Wirkung der lauten Musik nachgelassen hat.

In jedem Band wird der Maskierungseffekt, der durch eine Signalleistung bei einer bestimmten Frequenz hervor gerufen wird, nach der folgenden Maskierungsgleichung be rechnet:

E(x) = B(x)_*S(x) (1)

wobei S(x) die Signalleistung eines kritischen Bandes be zeichnet, B(x) die Verteilungsfunktion ist, die das Maskie rungsphänomen eines menschlichen Hörorganes (Ohr) simuliert, und E(x) ein geänderter Maskierungsschwellenwert ist. Der Operator "_*" ist eine Linearfaltung. Die Verteilungsfunktion B(x) läßt sich wie folgt ausdrücken:

10logB(x) = 15.81 + 7.5(x+0.474)-17.5{1+ (x+0.474)²}^1/2 (2)

Der Maskierungsschwellenwert, der über eine derartige Operation erhalten wird, gibt die Stärke eines Signals wie der, das nicht wahrgenommen werden kann, wenn ein Mensch einen Ton unter dem Schwellenwert hört. Der Maskierungs schwellenwert hat eine abgestufte Wellenform, da die Signal stärke in jedem Band konstant ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Minimieren eines Quantisierungsrauschens, das in einem Ver arbeitungsband erzeugt wird, wenn die Quantisierung durch geführt wird, nachdem die zu verwendende Anzahl von Bits in jedem Kanal nach Maßgabe des wichtigen Faktors (IMF) be stimmt worden ist.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Codieren und Decodieren eines digitalen Tonsignals gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Codierungsblock besteht aus einer Aufteilungseinheit 10, einer Bitzuordnungseinheit 20, einer Quantisierungseinheit 30 und einer Paketbildungsein heit 40. Ein Dekodierungsblock besteht aus einer Datenaus wicklungseinheit 50, einer Wiederherstellungseinheit 60 und einer Umkehrverteilungseinheit 70.

In der Aufteilungseinheit 10 wird das Eingangssignal durch Teilbandfilterung auf ein Verarbeitungssignal aufge teilt und ausgegeben. Die Eingangssignale werden bandweise so aufgeteilt, daß dann, wenn ein Signal wiederhergestellt wird, die Einflüsse eines quantisierten Rauschens, das wäh rend der Quantisierung erzeugt wird, verringert sind. Eine Bandaufteilung ist gleichfalls zweckmäßig, wenn die Einflüs se des kritischen Bandes auf das menschliche psychoakusti sche System berücksichtigt werden.

In der Bitzuordnungseinheit 20 werden die Bits nach dem folgenden Verfahren zugeordnet, indem eine die Blockgröße bestimmende Information und die Frequenzinformation empfan gen werden. Das heißt, daß die Bitzuordnungseinheit 20 die Anzahl an Bits jedem Band des bandweise in der Aufteilungs einheit 10 aufgeteilten Eingangssignals unter Berücksichti gung der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften zuord net. Es wird die Tatsache berücksichtigt, daß ein Mensch dann, wenn ein Signal auftritt, ein Signal hören und wahr nehmen kann, dessen Pegel über einem konstanten Signal liegt, und dann, wenn verschiedenartige Signale auftreten, sich die minimale Signalstärke, die zum Hören und Wahrnehmen erforderlich ist, von einem absoluten Schwellenwert aus durch die Wechselwirkung zwischen den Eingangssignalen än dert. Die Bits werden unter Verwendung des Eingangssignals und des geänderten Maskierungsschwellenwertes zugeordnet, der gleich der minimalen Stärke der Eingangsinformation ist, die benötigt wird, um die Information zu hören und wahrzu nehmen.

Die Berechnung des Maskierungsschwellenwertes und die Bitzuordnung erfolgen im Frequenzbereich in der folgenden Weise.

1. Die Stärke jedes Signals wird nach Maßgabe der Fre quenzanteile über eine diskrete Fourier-Transformation des Eingangssignals erhalten.
2. Die spektralen Werte eines Frequenzbereiches werden in kritische Werte mit dem gleichen nicht unterscheidbaren Ton aufgeteilt, wie es in Tabelle 1 dargestellt ist und die Summe der Leistung in jedem Band wird erhalten.
3. Nachdem die Leistungssumme erhalten ist, wird der Maskierungseffekt mittels der Frequenz gebildet und wird die Signalleistung unter Verwendung der Gleichung 1 berechnet.
4. Der maximale Wert unter den Werten jedes Bandes, die als Ergebnis erhalten werden, wird als temporärer Maskie rungsschwellenwert des Bandes festgelegt.
5. Die temporären Maskierungsschwellenwerte jedes Ban des werden mit den Schwellenwerten jedes Bandes im Zustand der Stille (d. h. ohne Signal) verglichen und der höhere Wert zwischen beiden wird als endgültiger Maskierungsschwellen wert in jedem Band festgelegt.
6. Das Verhältnis zwischen dem Signal und dem Maskie rungsschwellenwert (SMR), das das Verhältnis eines Eingangs signals zum Maskierungsschwellenwert ist, wird berechnet.
7. Nachdem SMR_jk für jedes Band k in jedem Kanal j be rechnet worden ist, werden SMR_jk aller Bänder in jedem Kanal offsetkorrigiert und aufaddiert, wodurch SMRT_j jedes Kanals erhalten wird. Der Wert, der für die Offsetkorrektur ver wandt wird, ist SMR_jmin, der der kleinste Wert unter den Werten SMR_jk jedes Bandes in jedem Kanal ist.
Tabelle 1
wobei m die Anzahl der verbleibenden Verarbeitungsbänder bezeichnet.
8. Der wichtige Faktor IMF_j jedes Kanals wird wie folgt berechnet: wobei n die Anzahl der Kanäle ist.
9. Nach Maßgabe des wichtigen Faktors jedes Kanals, der nach der obigen Gleichung (4) berechnet wurde, werden jedem Kanal Bits nach der folgenden Gleichung zugeordnet: BT_ch = IMF_j×BTT (5)wobei BT_ch die Anzahl an Bits wiedergibt, die jedem Kanal zugeordnet wird, und BTT die Summe der Anzahl an Bits be zeichnet, die von allen Kanälen verwandt werden kann und über die ein Datenkompressionsverhältnis zum Zeitpunkt "t" entscheidet.
10. Der wichtige Faktor IMF_k jedes Bandes wird aus BT_ch (der Anzahl an Bits, die jedem Kanal durch den offsetkor rigierten Wert SMR_jk jedes Bandes zugeordnet wird) berechnet, wobei die Anzahl der Bits, die in jedem Band verwandt wird, nach dem folgenden Verfahren zugeordnet wird.
- 1) Nachdem der wichtige Faktor jedes Bandes erhalten worden ist, wird die erforderliche Bitanzahl mit der erfor derlichen Bitanzahl für den hochfrequenten Anteil unter Berücksichtigung des in der oben beschriebenen Weise berech neten wichtigen Faktors verglichen. Wenn der Vergleich einer Bedingung genügt, wird danach die Anzahl an Bits dem ent sprechenden Band zugeordnet.
- 2) Nachdem die Anzahl der verwendbaren Bits und die Summe der verbleibenden SMR_jk korrigiert sind, werden die Schritte 1 und 2 wiederholt, bis alle Bits aufgebraucht sind.
  Das heißt im einzelnen, daß der Wert BT_bd (Bitanzahl eines Bandes, die in jedem Band k unter Verwendung von BT_ch nach Maßgabe des wichtigen Faktors IMF_k des Bandes verwandt werden kann) in der folgenden Weise angenommen:
11. Es wird ermittelt, ob die berechnete Bandbitanzahl BT_bd größer als die erforderliche Bitanzahl BT_N ist. Dabei ist die erforderliche Bitanzahl BT_N die Summe (Maßstabsfaktor und minimale Bitanzahl, die während der Quantisierung verwandt werden), einer Bitanzahl, die zusätzlich gemäß der Bitzuord nung zu den Eingangsdaten eines Bandes verwandt wird. Wenn die berechnete Bitanzahl kleiner als die erforderliche Bit anzahl ist, dann ist die Anzahl an Bits, die einem Band k des Kanals j zugeordnet wird, gleich null.

Der wichtige Faktor SMR des verbleibenden Bandes wird dadurch geändert, daß die Bits einem Band zugeordnet werden. Das heißt, daß nach der Durchführung der Bitzuordnung in einem Band der unmittelbar vorhergehende SMR-Wert von dem Wert SMRT_j abgezogen wird und die zum Berechnen des wichtigen Faktors benutzte Bandnummer ausgeschlossen wird, wodurch in einfacher Weise der wichtige Faktor erhalten wird, der unter Verwendung der restlichen Bänder berechnet wird.

Das obige Verfahren dient dazu, die Bitanzahl eines neuen Kanales zu erhalten, indem nur die Bitanzahl berück sichtigt wird, die benutzt wurde, als die Bits durch die Kanalbitanzahl und den wichtigen Faktor zugeordnet wurden, und die Bitanzahl des Kanales jedem Band nach Maßgabe des fortgeschriebenen wichtigen Faktors zuzuordnen. Dieses Ver fahren wird so oft wiederholt, wie es Bänder gibt, wodurch die jedem Band zuzuordnende Bitanzahl berechnet werden kann.

Es ist eine allgemeine Eigenschaft eines Signales, daß viel von der Signalinformation in einem Niederfrequenzband und wenig Signalinformation in einem Hochfrequenzband kon zentriert ist. Der Maßstabsfaktor für den Hochfrequenzteil mit vielen Bereichen ohne Information wird dabei bei dem Arbeitsvorgang berücksichtigt, bei dem das Bit vom Nieder frequenzteil zugeordnet wird. Wenn somit das Bit dem Hoch frequenzband zugeordnet wird, wird auch das Bit für den nicht benutzten Maßstabsfaktor zugeordnet. Dementsprechend kann das gegebene Bit nicht effektiv im Prozeß benutzt wer den.

Der Hochfrequenzteil wird daher bevorzugt verarbeitet, wodurch der unnötige Teil vor dem sich anschließenden Ar beitsvorgang ausgewählt wird. Das Bit wird daher wirksam zugeordnet, indem der unbenutzte Maßstabsfaktor berücksich tigt wird, der oft im Hochfrequenzband erzeugt wird.

Wie es in der folgenden Gleichung dargestellt ist, wird die erforderliche Bitanzahl, die zu benutzen ist, mit einem Gewichtsfaktor W_jk jedes Bandes multipliziert, um dadurch die Bitzuordnung so zu steuern, daß viele Bits einem bestimmten Frequenzband zugeordnet werden.

Das Bit kann dadurch zugeordnet werden, daß die mensch lichen psychoakustischen Eigenschaften in der Bitzuordnungs einheit 20 berücksichtigt werden, wie es oben beschrieben wurde. Insbesondere wird das Gewicht eines Bandes berück sichtigt, wodurch viele Bits dem hochfrequenten Teil zuge ordnet werden. Das hat den gleichen Effekt wie die Verstär kung des hochfrequenten Teils eines Signals in einer Vorver stärkungseinheit, die zum Verarbeiten eines phonetischen Signals verwandt wird.

Die Quantisierungseinheit 30 führt eine Quantisierung nach dem folgenden Verfahren durch. Ein Verfahren zum Her absetzen der Summe des Quantisierungsrauschens, das in jedem Verarbeitungsband erzeugt wird, wenn das Bit jedem Verarbei tungsband in jedem Kanal zugeordnet wird, läuft in der fol genden Weise ab. Dabei besteht im Hinblick auf die Psychoa kustik der Grund für die Verringerung der Summe des Quanti sierungsrauschens, das in jedem Verarbeitungsband erzeugt wird, darin, daß ein Mensch eine Störung gemäß der Signal leistung eines kritischen Bandes (Verarbeitungsband) und der Stärke des Quantisierungsrauschens empfindet, das im kriti schen Band erzeugt wird.

Wenn jeder Frequenzanteil in jedem Verarbeitungsband verarbeitet wird, werden die Werte des Frequenzanteils in der Reihenfolge vom hochfrequenten Anteil zum niederfrequen ten Anteil und umgekehrt verarbeitet.

Nachdem ein quantisierter Fehler (der dann erzeugt wird, wenn ein Wert eines Frequenzanteils quantisiert wird) auf einen benachbarten Frequenzanteil oder den folgenden Frequenzanteil übertragen ist, um dadurch den Frequenzanteil zu kompensieren, erfolgt die Quantisierung. Der Fehler, der dann erzeugt werden kann, wenn die Summe der Frequenzanteile in einem Verarbeitungsband vorhanden ist, ist daher so klein wie möglich.

Wenn angenommen wird, daß der Wert des Frequenzanteils zum Zeitpunkt t und bei der Frequenz k durch X_t(k) wiederge geben wird, daß die Quantisierungseinheit durch Q wiederge geben wird, und daß der quantisierte Frequenzanteil durch QX_t(k) wiedergegeben wird, dann wird der Fehler EQ_t(k), der bei der Quantisierung erzeugt wird, bei der Kompensation nach der folgenden Gleichung berechnet:

EQ_t(k) = X_t(k)-QX_t(k) (8)

Um den nächsten Frequenzanteil mit dem berechneten Fehler zu kompensieren, wird X_t(k+1) in X_t(k+1)+EQ_t(k) ge ändert und erfolgt eine Quantisierung des fortgeschriebenen Wertes X_t(k+1). Der neue quantisierte Fehler des Verarbei tungsbandes wird wiederholt als QX_t(k+1) berechnet, wodurch die Summe der Fehler, die im Verarbeitungsband erzeugt wer den, so klein wie möglich gehalten wird. Der Fehler EQ_t(k), der im obigen Falle erzeugt wird, wird auf das benachbarte Signal unter Berücksichtigung eines Gewichtsfaktors W(k+1) übertragen, wodurch die Summe der Fehler herabgesetzt wird, die im Band erzeugt werden. Das heißt, daß ein neuer Wert, dessen Fehler durch X_t(k+1)+EQ_t(k)W(k+1) korrigiert ist, erhalten und für die Quantisierung benutzt wird. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wird gemäß des Quantisierungsalgo rithmus der vorliegenden Erfindung zunächst ein Verarbei tungsband i festgelegt (Schritt 100), erfolgt dann die Quan tisierung des Bandes (Schritt 102) und wird danach der Quan tisierungsfehler nach der Gleichung 8 berechnet (Schritt 104). Der berechnete Fehler wird auf den benachbarten Fre quenzanteil übertragen (Schritt 106) und es wird bestimmt, ob die Quantisierung des Verarbeitungsbandes i abgeschlossen ist (Schritt 108). Wenn die Quantisierung nicht abgeschlos sen ist, wird der Frequenzanteil zur Durchführung des Schrittes 102 erhöht. Wenn in der oben beschriebenen Weise die Quantisierung aller Frequenzanteile im Verarbeitungsband i abgeschlossen ist, dann wird bestimmt, ob die Quantisie rung aller Bänder abgeschlossen ist (Schritt 112). Wenn die Quantisierung aller Bänder nicht abgeschlossen ist, dann wird das Verarbeitungsband erhöht (Schritt 114) und wird der nächste Schritt (Schritt 100) ausgeführt. Wenn im Schritt 112 festgestellt wird, daß die Quantisierung aller Bänder abgeschlossen ist, dann wird die Quantisierung beendet. Während der Quantisierung wird der Fehler auf den benach barten Frequenzanteil übertragen, wodurch das Quantisie rungsrauschen verringert wird. Die obige Quantisierung wird mehr im einzelnen anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spiels beschrieben.

Es sei angenommen, daß die Quantisierung eine Charak teristik, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist und einen Fre quenzanteilswert hat, der in Tabelle 2 dargestellt ist.

Tabelle 2

Wenn gemäß Tabelle 2 die Werte des Frequenzanteils im Verarbeitungsband gleich 94, 54, 64, 84, 94 und 84 sind, dann sind die Ergebnisse der Quantisierung nach dem herkömm lichen Quantisierungsverfahren gleich 90, 50, 60, 80, 90 und 80.

Die Summe der Fehler, die im Verarbeitungsband erzeugt werden, ist daher gleich 24. Im Gegensatz dazu werden bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung alle unmittel bar vorhergehenden Fehler korrigiert, wodurch das Quantisie rungsrauschen, das im Verarbeitungsband erzeugt wird, auf 4 verringert wird.

Beim Quantisierungsvorgang werden weiterhin die Signale im Verarbeitungsband in Tonsignale und Nichttonsignale auf geteilt, um die Signale in verschiedener Weise zu verarbei ten. Der quantisierte Fehler, der in einem Tonsignal erzeugt wird, wird daher durch ein Tonsignal korrigiert, und der quantisierte Fehler, der in einem Nichttonsignal erzeugt wird, wird durch ein Nichttonsignal korrigiert. Das hat zur Folge, daß der quantisierte Fehler, der dann erzeugt wird, wenn die Leistung von Signalen mit Ton- und Nichttonsignalen verarbeitet wird, so klein wie möglich gehalten wird, so daß dadurch die Tonqualität verbessert wird. Die quantisierten Daten werden dann zur Datenkompression codiert.

In der Paketbildungseinheit 40 wird ein Übertragungs bitstrom in Paketen aus den Daten gebildet, die nach der Quantisierung erzeugt werden.

Wie es oben beschrieben wurde, wird durch die vorlie gende Erfindung die Zuordnung der Bitanzahl unter Berück sichtigung der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften optimiert und der quantisierte Fehler auf den benachbarten Frequenzanteil übertragen, wodurch die Summe des Quantisie rungsrauschens herabgesetzt wird. Das hat zur Folge, daß der Unterschied zwischen einem ursprünglichen Ton und einem wiedergegebenen Ton, der durch das menschliche Ohr erfaßt werden kann, so klein wie möglich gehalten werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Codieren jedes digitalen Tonsignals einer Anzahl von Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:
Aufteilen eines digitalen Tonsignals auf mehrere Teil bänder und Ausgeben der aufgeteilten Teilbandsignale,
Zuordnen einer Anzahl von Bits zu jedem Teilbandsignal nach Maßgabe der menschlichen psychoakustischen Eigenschaf ten, und zwar auf der Grundlage der aufgeteilten Teilbandsi gnale,
Kompensieren jedes Teilbandsignals, indem ein übertra gener vorhergehender quantisierter Fehler aufgenommen wird, Quantisieren der kompensierten Teilbandsignale nach Maßgabe der entsprechenden zugeordneten Bitanzahl und Übertragen des laufenden quantisierten Fehlers auf die nächste Quantisie rung und
Bilden eines Übertragungsbitstromes in Paketen aus den quantisierten Daten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilband ein kritisches Band mit nicht unter scheidbaren Tönen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bitzuordnungsschritt die Schritte umfaßt:
Berechnen eines Signalmaskierungsschwellenwertverhält nisses für jedes Teilband als Bandverhältnis,
Berechnen der Summe der Bandverhältnisse jedes Teilban des zur Bildung eines Kanalverhältnisses für jeden der An zahl von Kanälen,
Berechnen eines wichtigen Faktors für jeden Kanal nach Maßgabe der Verhältnisse zwischen dem jeweiligen Kanalver hältnis und der Summe der Kanalverhältnisse,
Zuordnen der Kanalbitanzahl aus der Gesamtbitanzahl nach Maßgabe des erhaltenen wichtigen Faktors jeden Kanals,
Berechnen eines wichtigen Faktors für jedes Teilband nach Maßgabe der Verhältnisse zwischen den jeweiligen Band verhältnissen und jedem Kanalverhältnis und
Zuordnen der Bandbitanzahl aus der Kanalbitanzahl nach Maßgabe des erhaltenen wichtigen Faktors jeden Bandes.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maskierungsschwellenwert nach den folgenden Schrit ten erhalten wird:
Diskrete Fourier-Transformation eines analogen Tonsig nals und Berechnen der Größe jedes Signals in jedem Teilband des transformierten Signals,
Aufteilen der spektralen Werte im Teilband des Signals auf mehrere kritische Bänder mit nicht unterscheidbarem Ton und Berechnen der Summe der Leistung in jedem kritischen Band,
Berechnen des Maskierungsschwellenwertes mittels der Signalfrequenz und die Leistungssumme,
Festlegen des maximalen Maskierungsschwellenwertes in jedem kritischen Band als temporärer Maskierungsschwellen wert im entsprechenden kritischen Band, und
Vergleichen des signallosen Schwellenwertes (absoluter Schwellenwert) mit dem temporären Schwellenwert und Festle gen des höheren Wertes dieser beiden Werte als Endmaskie rungsschwellenwert im entsprechenden kritischen Band.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalverhältnis in jedem Kanal dadurch offsetkor rigiert wird, daß ein Produktwert des kleinsten Bandverhält nisses unter den Bandverhältnissen multipliziert mit der Anzahl der Bänder abgezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitanzahl jedes Bandes von einem höherfrequenten Anteil zu einem niederfrequenten Anteil unter den Teilband signalen unter Berücksichtigung des wichtigen Faktors jedes Bandes zugeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis jedes Bandes dadurch offsetkorrigiert wird, daß das kleinste Bandverhältnis unter den Verhältnis sen vom Verhältnis jedes Bandes abgezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wichtige Faktor des Bandes neu aus dem Verhältnis desjenigen Bandes erhalten wird, dem eine Bitanzahl nicht zugeordnet wurde.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitanzahl eines Bandes unter Berücksichtigung des Bandgewichtes zugeordnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Quantisierungsschritt, in dem die Signale jedes Bandes in Tonsignale und Nichttonsignale aufgeteilt werden, der quantisierte Fehler, der von einem Tonsignal erzeugt wird, durch ein Tonsignal korrigiert wird und der quantisierte Fehler, der von einem Nichttonsignal erzeugt wird, durch ein Nichttonsignal korrigiert wird.

11. Verfahren zum Codieren eines digitalen Tonsignals, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte um faßt:
Aufteilen eines digitalen Tonsignals auf mehrere Teil bänder und Ausgeben der aufgeteilten Teilbandsignale,
Zuordnen einer Anzahl von Bits zum Teilbandsignal jedes Teilbandes nach Maßgabe der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften, und zwar auf der Grundlage der aufgeteilten Teilbandsignale,
Kompensieren jedes Teilbandsignals durch Aufnahme eines übertragenen vorhergehenden quantisierten Fehlers unter Be rücksichtigung des Bandgewichtes, Quantisieren des kompen sierten Teilbandsignals nach Maßgabe der zugeordneten Bit anzahl und Übertragen des laufenden quantisierten Fehlers auf die nächste Quantisierung unter Berücksichtigung des Bandgewichtes, und
Bilden eines Übertragungsbitstromes in Paketen aus den quantisierten Daten.

12. Vorrichtung zum Codieren eines digitalen Tonsig nals, gekennzeichnet durch
eine Aufteilungseinheit (10) zum Aufteilen eines digi talen Tonsignals auf mehrere Teilbänder und zum Ausgeben der aufgeteilten Teilbandsignale,
eine Bitzuordnungseinheit (20) zum Zuordnen einer An zahl von Bits zum Teilbandsignal jedes Bandes nach Maßgabe der menschlichen psychoakustischen Eigenschaften, und zwar auf der Grundlage der aufgeteilten Teilbandsignale,
eine Quantisierungseinheit (30) zum Kompensieren jedes Teilbandsignals durch Aufnahme eines übertragenen vorherge henden quantisierten Fehlers, zum Quantisieren des kompen sierten Teilbandsignals nach Maßgabe der zugeordneten Bit anzahl und zum Übertragen des laufenden quantisierten Feh lers auf die nächste Quantisierung und
eine Paketbildungseinrichtung (40) zum Bilden eines Übertragungsbitstromes in Paketen aus den quantisierten Daten.