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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sprachcodiersystem mit
einem Sprachcodierer und einem Sprachdecodierer, der mit dem genannten
Sprachcodierer zusammenarbeitet, wobei der Sprachcodierer einen
Vorprozessor und einen ADPCM-Codierer
(adaptive Delta-Pulscodemodulation, engl. adaptive differential
pulse code modulation, ADPCM) mit einem Quantisierer und Schrittweitenanpassungsmittelm
umfasst und wobei der Sprachdecodierer einen ADPCM-Decodierer mit
den gleichen Schrittweitenanpassungsmitteln wie in dem ADPCM-Codierer
und mit einem Decodierer, sowie einen Nachprozessor umfasst, wobei
der Quantisierer mit Speichermitteln versehen ist, die Werte für einen
Korrekturfaktor α(c(n))
der Schrittweite Δ(n)
enthalten, wobei der genannte Korrekturfaktor von dem Ausgangssignal
c(n) des Quantisierers abhängig
ist.
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Der
Sprachcodierer erzeugt einen Bitstrom, der gespeichert oder über einen
Kanal übertragen
werden kann. Eine mangelhafte Speichervorrichtung oder ein schlechter Übertragungskanal
könnten
nicht in der Lage sein, diese Informationen zu bewahren; es kann
zu Bitfehlern in der Form von Bitänderungen kommen. Auch wenn
Sprachsignale in dem Codierer eines standardmäßigen P
2CM-Audiocodiersystems,
d.h. einem verarbeiteten ADPCM-Codierer und -decodierer, verarbeitet
werden, können
derartige Bitfehler auftreten. Wenn die Bitfehlerrate höher als
1 % ist, können
Artefakte zu hören
sein. Die meisten dieser Artefakte werden als eine plötzliche
Zunahme oder Abnahme der Lautstärke
gekennzeichnet. Eine nähere
Untersuchung des Codierers lässt
erkennen, dass der für
Bitfehler anfälligste
Teil des Codiersystems die Schrittweitenanpassungsmittel Δ(n) sind.
Die Anpassung hängt
von den erzeugten Codepegeln ab. Wenn sich diese Codepegel aufgrund
von Bitfehler ändern,
ist die Schrittweite des ADPCM-Codierers nicht mehr identisch mit
der des ADPCM-Decodierers. Daher wurde bereits vorgeschlagen, den
Quantisierer mit Speichermitteln zu versehen, die Werte für einen
Korrekturfaktor α(c(n))
für die
Schritt-weite enthalten Δ(n).
Die Schrittweite kann dann zum Beispiel entsprechend der folgenden
Gleichung angepasst werden:
wobei
A eine Konstante ist (A<1).
Die maßstäblich verkleinerte
Schrittweite [Δ(n)+b].A
wird um einen Faktor α(c(n))
(≥1) maßstäblich vergrößert, wenn
die maximal zulässige
Schrittweite Δ
max nicht überschritten wird. Der Wert
für den
Korrekturfaktor α(c(n))
wird so gewählt,
dass die Anpassung bei Codes, die zu höheren Quantisierungsniveaus
gehören,
schneller erfolgt, damit sich das Codiersystem schneller anpassen
kann, wenn der Pegel des Eingangssignals plötzlich ansteigt. Falls kleine
Energieänderungen
am Eingang des Quantisierers auftreten, reicht jedoch die Anpassung
mit den bekannten Korrekturtabellen für den Korrekturfaktor α(c(n)) nicht
aus.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine verbesserte Schrittgrößenanpassung
in dem Quantisierer eines Sprachcodierers und -decodierers zu schaffen.
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Aus
diesem Grund ist gemäß der Erfindung
das in der Einleitung beschriebene Sprachcodiersystem dadurch gekennzeichnet,
dass die Schrittweitenanpassung gemäß der Gleichung:
erfolgt,
in der b, A und Δ
max Konstanten sind und wobei der Wert von
c
max von dem Codec-Modus und damit von der Bitrate abhängig ist.
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Insbesondere
wenn der Vorprozessor mit Phasenfaltungsfiltermitteln ausgestattet
ist und der Nachprozessor mit Filtermitteln ausgestattet ist, die
invers hierzu sind, nimmt die Energie der Eingabe in den ADPCM-Codierer
allmählicher
zu und erlaubt damit eine bessere Wahl von α(c(n)). Aus diesem Grund wird
der Inhalt der genannten Patentanmeldung als Teil der Beschreibung
der vorliegenden Erfindung betrachtet. Ohne derartige Phasenfaltungsfiltermittel
könnten
Probleme entstehen, wenn bei einer Aufzeichnung nahe am Mikrofon
impulsartige Eingangssignale auftreten.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
und werden durch diese sowie die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen P2CM-Codiersystems;
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die 2A-2F Tabellen
nach dem Stand der Technik mit den Quantisierungs- und Skalierungsfaktoren
eines ADPCM-Codierers; und
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die 3A-3F Tabellen
mit den Quantisierungs- und Skalierungsfaktoren eines erfindungsgemäßen ADPCM-Codierers
mit einem Phasenfaltungsfilter im Vor prozessor und einem inversen
Phasenfaltungsfilter im Nachprozessor.
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Das
P2CM-Audiocodiersystem aus 1 besteht
aus einem Codierer 1 und einem Decodierer 2. Der Codierer 1 umfasst
einen Vorprozessor 3 und einen ADPCM-Codierer 4, während der
Decodierer 2 einen ADPCM-Decodierer 5 und einen
Nachprozessor 6 umfasst. Der ADPCM-Codierer umfasst einen
Quantisiererblock 7, einen Schrittweitenanpassungsblock 8,
einen Decodiererblock 9 und einen Prädiktorblock 10. Der
ADPCM-Decodierer
umfasst einen Schrittweitenanpassungsblock 12, einen Decodiererblock 13 und
einen Prädiktorblock 14.
Der Vorprozessor umfasst einen Phasenfaltungsfilter zum Glätten des
Effekts von schnellen hohen Energieänderungen am Eingang des Quantisierers
und Spektralamplitudenverzerrungsmittel zum Modifizieren des Signalspektrums
vor der Codierung, während
der Nachprozessor Mittel zum Rückgängigmachen des
Effekts der Verzerrung im Vorprozessor sowie einen inversen Filter
umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Phasenfaltungsfilterung
und Verzerrung sowie die inverse Filterung und Entzerrung im Frequenzbereich
ausgeführt.
Daher sind sowohl der Vorprozessor als auch der Nachprozessor mit
Mitteln, z.B. einer FFT-Einheit, ausgestattet, um die Audiosignale
im Zeitbereich in den Frequenzbereich zu transformieren, und mit
Mitteln, z.B. einer Inversen FFT, um die verarbeiteten Signale zur
Filterung und Verzerrung bzw. zur inversen Filterung und Entzerrung
vom Frequenzbereich in den Zeitbereich zu transformieren. In einer
speziellen Ausführungsform
hat der Phasenfaltungsfilter eine im Wesentlichen linear ansteigende
Frequenzkennlinie zwischen 0 und der Nyquist-Frequenz und eine konstante
Amplitudenkennlinie.
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Das
Eingangssignal für
den ADPCM-Codierer 4 ist ein abgetastetes Audiosignal,
das von dem Vorprozessor 3 geliefert wird. Wenn ein Abtastwert
n einen Wert s(n) hat, wird für
jeden Eingangswert s(n) die Differenz zwischen diesem Wert und dem
geschätzten
(vorhergesagten) Wert s(n-1) als ein Fehlersignal e(n) genommen,
das dann durch den Quantisiererblock 7 quantisiert und
codiert wird, so dass sich der Ausgangscode c(n) ergibt. Der Ausgangscode
c(n) bildet einen Bitstrom, der gesendet oder übertragen und von dem ADPCM-Decodierer 5 empfangen
wird. In 1 ist dies durch die unterbrochene Linie 11 dargestellt.
Der Ausgangscode c(n) wird auch zur Anpassung der Quantisiererschrittweite Δn durch Block 8 und
durch den Decodiererblock 9 benutzt, um ein quantisiertes
Fehlersignal e'(n)
zu erhalten. Das quantisierte Fehlersignal e'(n) wird zu dem vorhergesagten Wert
s(n-1) addiert, wodurch sich der quantisierte Eingangswert s'(n) ergibt.
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Dieser
Wert s'(n) wird
durch den Prädiktorblock 10 verwendet,
um seine Vorhersagekoeffizienten anzupassen. Der ADPCM-Decodierer 5 ist
lediglich eine Teileinheit des Codierers 4; er liest den
empfangenen quantisierten Code c(n) aus dem Bitstrom und nutzt den
gleichen wie der Codierer 4, um seine internen Variablen
zu aktualisieren. Die Ausgabe des Decodiererblocks 13 ist
das quantisierte Fehlersignal e'(n),
das, nachdem es zu dem vorhergesagten Wert s(n-1) addiert wurde,
das quantisierte Audiosignal s(n) ergibt. Das letztgenannte Signal
bildet das Eingangssignal des Nachprozessors 6. Vor- und
Nachprozessor sowie der ADPCM-Codierer und -decodierer sind in dem
Dokument ID604963 beschrieben, das, wie bereits erwähnt, einen Teil
der vorliegenden Patentanmeldung bildet.
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Ein
weiteres Eingangssignal für
den ADPCM-Codierer 4 wird durch ein Codec-Modussignal gebildet, das
mit den Codewörtern
zum ADPCM-Decodierer 5 gesendet oder übertragen wird. Dieses Codec-Modussignal
bestimmt die Bitzuordnung für
die Codewörter
im Bitstromausgang des ADPCM-Codierers 4 und des ADPCM-Decodierers 5.
In Abhängigkeit
von dem gewählten
Codec-Modus hat der resultierende Bitstrom eine Bitrate von beispielsweise
12,8, 16, 19,2, 21,6, 24 oder 32 KBits/s.
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In
dem Quantisierer werden die folgenden Berechnungen vorgenommen:
Zunächst
erfolgt eine Quantisierung gemäß der Gleichung: q(n) = ⌊e(n)/Δ(n) + 0.5. cmax +
0.5⌋,wobei ⌊...⌋ eine Abbruchoperation
darstellt.
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Das
quantisierte Signal q(n) ist zwischen 0 und c
max begrenzt,
was bedeutet, dass: c(n) = max[0, min{c
max,
q(n)}]. Der Wert von c
max hängt von
dem Codec-Modus und damit von der Bitrate ab. Zum Beispiel kann
c
max bei den obigen Bitraten nacheinander
2, 3, 4, 5, 7 und 15 betragen. Anschließend wird die neue Schrittweite
gemäß folgender
Gleichung berechnet:
wobei,
in einer speziellen Ausführungsform,
b, A und Δ
max auf 16, 0,996 bzw.8192 eingestellt sind.
Außerdem ist
der Quantisiererblock mit Speichermitteln ausgestattet, die Tabellen
für α(c(n)) in
Abhängigkeit
von c(n) enthalten. Vor allem in einer Ausführungsform, in der eine Phasenfaltung
vorgenommen wird, ermöglichen
diese Korrekturfaktor eine allmählichere
Anpassung der Schrittweite Δ(n)
für alle
Codes, so dass sich eine verbesserte Bitfehlertoleranz ergibt. Vor
allem die hohen Bitratenmodi profitieren hiervon. Die Bitfehlertoleranz
kann durch den Parameter A gesteuert werden; ein Wert von 0,75 schien toleranz
kann durch den Parameter A gesteuert werden; ein Wert von 0,75 schien
ein guter Kompromiss zwischen Unempfindlichkeit für Bitfehler
und Gesamtsprachqualität
zu sein, wenn die Bitfehlerrate über
1 % ansteigt.
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Bei
der Schrittweitenanpassung nach dem Stand der Technik gemäß Formel
(P) wie im einleitenden Teil der Beschreibung erwähnt sind
die Werte von α(c(n))
in den Tabellen aus den 2A–2F angegeben. Jede
dieser Tabellen gibt Skalierungsfaktoren α(c(n)) in Abhängigkeit
von der Indexnummer des Quantisierer-Ausgangssignals c(n) oder dem
hiermit übereinstimmenden
Quantisierungsniveau e(n)/Δn
an. Bei diesen Tabellen ist cmax 2, 3, 4,
5, 7 bzw. 15. Insbesondere ist aus 2F, da
dies die längste
Tabelle ist, in Kombination mit Formel (P) ersichtlich, das vor
allem die höheren
Codes zu einer wesentlich schnelleren Anpassung der Schrittweite
führen.
Höhere
Skalierungsfaktoren sind wichtig, um eine schnellere Anpassung der
Schrittweite zu ermöglichen,
wenn der Pegel des Quantisierer-Eingangssignals plötzlich ansteigt.
Bei den niedrigeren Codes ist α =
1; in diesem Fall wird die Schrittweite allmählich abnehmen. Eine schnellere
Schrittweitenanpassung impliziert jedoch ein höheres Bitfehlerrisiko.
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Bei
der Schrittweitenanpassung gemäß der Formel
sind die Werte von α(c(n))
in den Tabellen aus den 3A–3F angegeben.
Auch hier gibt jede dieser Tabellen Skalierungsfaktoren α(c(n)) in
Abhängigkeit von
der Indexnummer des Quantisierer-Ausgangssignals
c(n) oder dem hiermit übereinstimmenden
Quantisierungsniveau e(n)/Δn
an. Auch bei diesen Tabellen ist cmax 2,
3, 4, 5, 7 bzw. 15. Die Auswahl der Skalierungsfaktoren gemäß den Tabellen
aus den 3A–3F ist
in Fällen
möglich,
in denen keine schnellen hohen Energieänderungen am Quantisierereingang
auftreten. Dies ist bei Aufzeichnungen mit größeren Abständen möglich, bei denen der Ton der
Stimme durch Nachhall in dem Raum, in dem die Aufzeichnung vorgenommen wurde,
undeutlich wird, oder bei Codiersystemen mit einem Phasenfaltungsfilter.
Die Skalierungsfaktoren aus den 3A–3F liefern
eine langsamere Schrittweitenanpassung, jedoch mit der günstigen
Folge eines geringeren Bitfehlerrisikos.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
wird durch einen Algorithmus realisiert, der in Form eines Computerprogramms
vorliegen kann, das auf Signalverarbeitungsmitteln in einem P2CM-Audiocodierer und -decodierer ausgeführt werden
kann. Insofern Teile der Figuren Einheiten zeigen, die bestimmte
programmierbare Funktionen ausführen,
sind diese Einheiten als Bestandteile des Computerprogramms zu betrachten.
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Die
beschriebene Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs formen
beschränkt.
Es sind Abwandlungen möglich.
Es ist insbesondere anzumerken, dass die in den beschriebenen Ausführungsformen erwähnten und
in den Figuren gezeigten Werte und Tabellen nur als ein Beispiel
genannt wurden; es sind andere Werte und Tabellen möglich.
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Text in der
Zeichnung
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2A–2F und 3A–3F
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- Index – Index
- Quant. level – Quantisierungsniveau
- Scale factor – Skalierungsfaktor
