DE69734816T2

DE69734816T2 - Audiosignal-datenkompression und -expansion

Info

Publication number: DE69734816T2
Application number: DE69734816T
Authority: DE
Inventors: Antonius Alphons BRUEKERS; Werner Arnoldus OOMEN; Josephus Renatus VAN DER VLEUTEN
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: MY119457A; JP2000502539A; RU2178618C2; BR9706828B1; AR009826A1; ATE312435T1; HUP9902037A2; PL192073B1; CN1126263C; JP3935215B2; KR100603894B1; US6269338B1; HUP9902037A3; KR19990072035A; EP0865685B1; WO1998016014A1; ES2251742T3; PL327230A1; BR9706828A; EP0865685A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Datenkompressionsanordnung zur Datenkompression eines Audiosignals, auf ein Datenkompressionsverfahren, einen Sender mit der Datenkompressionsanordnung, auf eine Aufzeichnungsanordnung mit der Datenkompressionsanordnung, auf einen Aufzeichnungsträger, auf dem das datenkomprimierte Audiosignal in einer Spur des genannten Aufzeichnungsträgers aufgezeichnet ist, auf eine Datenexpansionsanordnung zur Datenexpansion eines datenkomprimierten Audiosignal, auf ein Datenexpansionsverfahren, auf einen Empfänger mit der Datenexpansionsanordnung und auf eine Wiedergabeanordnung mit der Datenexpansionsanordnung.
Datenkompression an einem Audiosignal ist durchaus bekannt. In dieser Hinsicht sei auf EP-A 402.973, Dokument D1 in dem Bezugsmaterial, hingewiesen. Das Dokument beschreibt einen Teilbandcodierer, in dem ein Audiosignal mit einer bestimmten Abtastfrequenz, wie 44,1 kHz, A/D-verwandelt wird und wobei die resultierenden Abtastwerte in Form von beispielsweise 24 Bits breiten Wörtern des Audiosignals einem Telbandspaltfilter zugeführt werden. Das Teilbandspaltfilter spaltet das digitale Breitband-Audiosignal in eine Anzahl relativ schmalbandiger Teilbandsignale. Unter Verwendung eines psychoakustischen Modells wird eine maskierte Schwelle hergeleitet und Blöcke von Abtastwerten der Teilbandsignale werden daraufhin mit einer bestimmten Anzahl Bits je Abtastwert für jeden Block der Teilbandsignale quantisiert, und zwar in Reaktion auf die maskierte Schwelle, was zu einer wesentlichen Datenkompression des zu übertragenden Audiosignals führt. Die durchgeführte Datenkompression basiert darauf, dass diejenigen Anteile in dem Audiosignal, die unhörbar sind "weggeworfen" werden, was folglich ein verlustbehaftetes Kompressionsverfahren ist. Die in dem Dokument D1 beschriebene Datenkompression ist ein viel intelligenteres Datenkompressionsverfahren und erfordert eine beträchtliche Anzahl Gatter oder Instruktionen, wenn in Hardware bzw. Software verwirklicht, so dass dieses Verfahren recht teuer ist. Weiterhin erfordert die nachfolgende Expansionsanordnung ebenfalls eine beträchtliche Anzahl Gatter oder Instruktionen, wenn in Hardware zw. Software verwirklicht.
US 4905002 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Komprimieren eines Deltamodulation-codierten Bitstrings durch örtliches Zusammenaddieren, in der mod-2-Weise, benachbarter Stringbits zum Erzeugen eines transformierten Bitstrings, der danach lauflängencodiert wird zum Schaffen eines komprimierten Bitstrings. Eine zweite Ausführungsform benutzt eine wechselnde Bitkomplementierungstransformation.
Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Datenkompressionsanordnung zu schaffen zur Datenkompression eines Audiosignals, so dass dies einfacher ist und dass die entsprechende Expansionsanordnung auch viel einfacher und weniger teuer sein kann.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Hauptansprüche definiert, Die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die nachfolgende Erkenntnis zugrunde. Das Audiosignal kann in analoger Form oder in digitaler Form zugeführt werden. Wenn nach der vorliegenden Erfindung eine Analog-Digital-Umwandlung durchgeführt wird, und zwar mit einem 1-Bit Analog-Digital-Wandler (auch als Bitstromwandler oder Sigma-Delta-Modulator bezeichnet) an einem analogen Audiosignal, wird das analog-digital zu verwandelnde Signal mit einer Frequenz abgetastet, die im Allgemeinen ein Vielfaches der Frequenz von 44,1 kHz oder 48 kHz ist. Das Ausgangssignal des 1-Bit Analog-Digital-Wandlers ist ein binäres Signal, das als Bitstromsignal bezeichnet wird. Wenn das Audiosignal in digitaler Form geliefert wird, abgetastet mit 44,1 kHz, wobei die Abtastwerte in beispielsweise 16 Bits je Abtastwert ausgedrückt werden, wird dieses digitale Audiosignal mit einer Frequenz überabgetastet, die wieder ein Vielfaches dieser Abtastfrequenz von 44,1 kHz (oder 48 kHz) ist, was zu einem 1-Bit Bitstromsignal führt.
Das Umwandeln eines Audiosignals in ein 1-Bit Bitstromsignal hat eine Anzahl Vorteile. Bitstromumwandlung ist ein Codierungsverfahren hoher Qualität, mit der Möglichkeit einer Decodierung hoher Qualität oder eine Decodierung geringer Qualität mit dem weiteren Vorteil einer einfacheren Decodiereinheit. In dieser Hinsicht sei verwiesen auf die Veröffentlichungen "A digital decimating Filter for analog-to-digital conversion of hi-fi audio signals" von J. J. van der Kam, Dokument D2 in dem Bezugsmaterial, und "A hoher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D converters" von Kirk C. H. Chao u.a., Dokument D3 in dem Bezugsmaterial.
1-Bit Digital-Analog-Wandler werden in CD-Spielern verwendet, beispielsweise zum Rückverwandeln des Bitstrom Audiosignals in ein analoges Audiosignal. Das auf einer CD-Platte aufgezeichnet Audiosignal ist aber kein datenkomprimiertes 1-Bit Bitstromsignal.
Es ist in dem betreffenden Technischen Bereich durchaus bekannt, dass das resultierende Bitstromsignal des 1-Bit Analog-Digital-Wandlers, grob gesagt, ein beliebiges Signal ist, das ein "rauschartiges" Frequenzspektrum hat. Derartige Signaltypen lassen sich nur schwer datenkomprimieren.
Überraschenderweise hat es sich aber herausgestellt, dass Verwendung eines verlustfreien Codierers, wie eines Codierers mit variabler Länge in Form eines Huffman-Codierers oder eines arithmetischen Codierers, eine wesentliche Datenreduktion erhalten werden kann, trotz des störungsbehafteten Charakters des Bitstromsignals von dem 1-Bit Analog-Digital-Wandler.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform der Datenkompressionsanordnung,
2a das Frequenzspektrum des Ausgangssignals des 1-Bit Analog-Digital-Wandlers und
2b das Frequenzspektrum desselben Ausgangssignals in einem kleineren Frequenzbereich,
3 die Datenkompressionsanordnung, einverleibt in einer Aufzeichnungsanordnung zum Aufzeichnen des datenkomprimierten Bitstromsignals auf einem Aufzeichnungsträger,
4 die Datenkompressionsanordnung, einverleibt in einer Übertragungsanordnung zum Übertragen des datenkomprimierten Bitstromsignals über ein Übertragungsmedium,
5 eine Ausführungsform der Datenexpansionsanordnung,
6 die Datenexpansionsanordnung, einverleibt in einer Wiedergabeanordnung zum Wiedergeben des datenkomprimierten Bitstromsignals von einem Aufzeichnungsträger, und
7 die Datenexpansionsanordnung, einverleibt in einer Empfangsanordnung zum Empfangen des datenkomprimierten Bitstromsignals von einem Übertragungsmedium,
8 eine weitere Ausführungsform der Aufzeichnungsanordnung, die weiterhin mit einem Fehlerkorrekturcodierer und einem Kanalcodierer versehen ist,
9 eine weitere Ausführungsform der Wiedergabeanordnung, die weiterhin mit einem Kanaldecoder und einer Fehlerkorrektureinheit versehen ist,
10 eine Ausführungsform der Datenkompressionsanordnung, worin der verlustfreie Codierer in Form eines arithmetischen Codierers ist, und
11 eine Ausführungsform der Datenexpansionsanordnung, worin der verlustfreie Decoder in Form eines arithmetischen Decoders ist.
1 zeigt eine Ausführungsform der Datenkompressionsanordnung mit einer Eingangsklemme 1 zum Empfangen des Audiosignals. In dem vorliegenden Beispiel ist das Audiosignal ein analoges Audiosignal. Die Eingangsklemme 1 ist mit einem Eingang 2 eines 1-Bit Analog-Digital-Wandlers 4, auch als Sigma-Delta-Modulator bezeichnet, gekoppelt. Ein Ausgang 6 des 1-Bit Analog-Digital-Wandlers 4 ist mit einem Eingang 8 einer Datenkompressionseinheit 10 gekoppelt. Ein Ausgangs 12 der Datenkompressionseinheit 10 ist mit einer Ausgangsklemme 14 gekoppelt.
Der 1-Bit Analog-Digital-Wandler 4 ist dazu vorgesehen, eine 1-Bit Analog-Digital-Umwandlung an dem Audiosignal durchzuführen, damit ein Bitstromsignal erhalten wird, das dem Ausgang 6 zugeführt wird. Dazu empfängt der Analog-Digital-Wandler 4 eine Abtastfrequenz gleich N.f_s über einem Eingang 16. f_s ist eine Frequenz gleich beispielsweise 32 kHz, 44,1 kHz oder 48 kHz und N ist eine große Zahl, wie 64. Das Audiosignal wird in dem Analog-Digital-Wandler 4 mit einer Abtastfrequenz von beispielsweise 2,8224 MHz (64 × 44,1 kHz) abgetastet. Das Bitstromsignal, das an dem Ausgang 6 des Analog-Digital-Wandler erscheint, hat folglich eine Bitrate von 2,8224 MHz.
Die Datenkompressionseinheit 10 ist in der Form eines verlustfreien Codierers. Verlustfreie Codierer haben den Vorteil, dass sie das Audiosignal datenkomprimieren können, und zwar derart, dass nach der Datenexpansion durch einen verlustfreien Decoder das ursprüngliche Audiosignal auf eine im Wesentlichen verlustfreie Art und Weise rekonstruiert werden kann. Das bedeutet, dass es nach Kompression-Expansion im Wesentlichen keinen Informationsverlust gibt. Verlustfreie Codierer können in der Form eines Codierers mit variabler Codelänge sein. Codierer mit variabler Codelänge sind in dem betreffenden technischen Bereich durchaus bekannt. Beispiele derartiger Codierer mit variabler Codelänge sind Huffman-Codierer, arithmetische Codierer und Lempel-Ziv-Codierer. In diesem Zusammenhang sei auf die Veröffentlichen "A method for the construction of minimumredundancy codes" von D. A. Huffman, Dokument D4 in dem Bezugsmaterial, "An intro duction to arithmetic coding" von G. G. Langdon, Dokument D5 in dem Bezugsmaterial und "A universal algorithm for sequential data compression" von J. Ziv u.a., Dokument D6 in dem bezugsmaterial verwiesen.
Die Datenkompressionseinheit 10 führt einen im Wesentlichen verlustfreien Datenkompressionsschritt an dem Bitstromsignal durch, damit ein datenkomprimiertes Bitstromsignal an dem Ausgang 12 erhalten wird, das der Ausgangsklemme 14 zugeführt wird.
2a zeigt ein Frequenzspektrum des an dem Ausgang 6 des Analog-Digital-Wandlers 4 vorhandenen Bitstromsignals für ein Eingangssignal in der Form eines 5 kHz Sinussignals, abgetastet mit einer Abtastfrequenz von 2,8224 MHz. Das Spektrum zeigt auf diese Weise Frequenzen zwischen o Hz und 1,4 MHz. 2b zeigt einen Teil des in 2a dargestellten Spektrums, und zwar den Teil zwischen 0 Hz und 100 kHz, um das 5 kHz sinusförmige Signal in dem Bitstromsignal deutlicher zeigen zu können. Deutlich sichtbar ist der rauschartige Charakter des Bitstromsignals, insbesondere in dem höheren Frequenzgebiet, was zu beinhalten scheint, dass Durchführung von Datenkompression an dem genannten Signal nicht zu einem wesentlichen Betrag an Datenreduktion führt.
Im Gegensatz dazu haben Untersuchungen deutlich gemacht, dass eine wesentliche Datenreduktion erhalten werden kann. In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse der durch drei verlustfreie Codierer verwirklichten Datenkompression für drei verschiedene Musikfragmente gegeben:
wobei δ das Kompressionsverhältnis ist, definiert als das Verhältnis zwischen der Bitrate des Eingangssignals des Codierers zu der Bitrate des Ausgangssignal des Codierers.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Aufzeichnungsanordnung mit der Datenkompressionsanordnung nach 1. Die Aufzeichnungsanordnung umfasst weiterhin eine Schreibeinheit 30 zum Schreiben des datenkomprimierten Bitstromsignals in einer Spur auf dem Aufzeichnungsträger 32. In dem vorliegenden Beispiel ist der Aufzeich nungsträger 32 ein magnetischer Aufzeichnungsträger, so dass die Schreibeinheit 30 wenigstens einen Magnetkopf 34 aufweist zum Schreiben de datenkomprimierten Bitstromsignals in dem Aufzeichnungsträger 32. Der Aufzeichnungsträger kann aber ein optischer Aufzeichnungsträger sein, wie eine CD-Platte oder eine DVD-Platte.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Senders zum Übertragen eines Audiosignals über ein Übertragungsmedium TRM, mit der Datenkompressionsanordnung nach 1. Der Sender umfasst weiterhin eine Übertragungseinheit 40 zum Zuführen des datenkomprimierten Bitstromsignals zu dem Übertragungsmedium TRM. Die Übertragungseinheit 40 könnte eine Antenne 42 aufweisen.
Übertragung über ein Übertragungsmedium, wie eine Funkfrequenzkopplung oder einen Aufzeichnungsträger, erfordert im Allgemeinen eine Fehlerkorrekturcodierung und eine Kanalcodierung, durchgeführt an dem zu übertragenden datenkomprimierten Bitstromsignal. 8 zeigt derartige Signalverarbeitungsschritte, durchgeführt an dem datenkomprimierten Bitstromsignal für die Aufzeichnungsanordnung nach 3. Die Aufzeichnungsanordnung nach 8 umfasst dazu einen in dem betreffenden technischen Bereich durchaus bekannten Fehlerkorrekturcodierer 80, und einen auch bekannten Kanalcodierer 82.
5 zeigt eine Ausführungsform der Datenexpansionsanordnung. Die Anordnung hat eine Eingangsklemme 50 zum Empfangen des datenkomprimierten Audiosignals, das in Form des datenkomprimierten Bitstromsignals ist, wie dies von der Datenkompressionsanordnung nach 1 geliefert wird. Die Eingangsklemme 50 ist mit einem Eingang 52 einer Datenexpansionseinheit 54 gekoppelt, die einen Ausgang 56 hat, der mit einem Eingang 58 eines 1-Bit Digital-Analog-Wandlers 60 gekoppelt ist. Ein Ausgang 62 des Wandlers 60 ist mit einer Ausgangsklemme 64 gekoppelt.
Die Datenexpansionseinheit 54 ist ein verlustfreier Decoder, wie ein Decoder für Codes mit variabler Länge in Form eines Huffman-Decoders oder eines arithmetischen Decoders. Es dürfte einleuchten, dass der Decoder in der Datenexpansionsanordnung nach 5 das Gegenteil des in der Datenkompressionsanordnung nach 1 verwendeten Codierers ist, und zwar zum Verwirklichen eines im Wesentlichen verlustfreien Codierungs-Decodierungsschrittes. Die Datenexpansionseinheit 54 expandiert den datenkomprimierten Bitstrom, damit eine Replik des ursprünglichen Bitstroms erhalten wird, die dem Eingang 58 des Digital-Analog-Wandlers 60 zugeführt wird. Der Wandler 60 verwandelt den Bitstrom in ein analoges Audiosignal, das der Klemme 64 zugeführt wird.
6 zeigt die Datenexpansionsanordnung nach 5, einverleibt in eine Wiedergabeanordnung. Die Wiedergabeanordnung umfasst weiterhin eine Leseeinheit 70 zum Auslesen des Bitstromsignals aus einer Spur auf dem Aufzeichnungsträger 32. In dem vorliegenden Beispiel ist der Aufzeichnungsträger 32 ein magnetischer Aufzeichnungsträger, so dass die Leseeinheit 70 wenigstens einen Magnetkopf 72 aufweist zum Auslesen des datenkomprimierten Bitstromsignals aus dem Aufzeichnungsträger 32. Der Aufzeichnungsträger kann aber ein optischer Aufzeichnungsträger sein, wie eine CD-Platte oder eine DVD-Platte.
7 zeigt eine Ausführungsform eines Empfängers zum Empfangen eines Audiosignals über ein Übertragungsmedium TRM, mit der Datenexpansionsanordnung, wie in 5 dargestellt. Der Empfänger umfasst weiterhin eine Empfangseinheit 75 zum Empfangen des datenkomprimierten Bitstromsignals von dem Übertragungsmedium TRM. Die Empfangseinheit 75 könnte eine Antenne 7 enthalten.
Wie oben bereits erläutert, erfordert eine Übertragung über ein Übertragungsmedium, wie eine Funkfrequenzverbindung oder einen Aufzeichnungsträger, im Allgemeinen eine Fehlerkorrekturcodierung und eine Kanalcodierung, durchgeführt an dem zu übertragenden datenkomprimierten Bitstromsignal, so dass bei Empfang eine entsprechende Kanaldecodierung und Fehlerkorrektur durchgeführt werden kann.
9 zeigt die Signalverarbeitungsschritte der Kanaldecodierung und Fehlerkorrektur, durchgeführt an dem empfangenen Signal, empfangen von den Lesemitteln 70 für die Wiedergabeanordnung nach 6. Die Wiedergabeanordnung nach 9 umfasst dazu einen in dem betreffenden technischen Bereich durchaus bekannten Kanaldecoder 90, und eine in dem betreffenden technischen Bereich ebenfalls durchsaus bekannte Fehlerkorrektureinheit 92 zum Erhalten einer Replik des datenkomprimierten Bitstromsignals.
Eine andere Datenkompressionsanordnung ist in 10 dargestellt. In der Datenkompressionsanordnung nach 10 wird das Bitstromsignal einem Eingang 8 eines verlustfreien Codierers zugeführt, der in Form eines Entropiecodierers, wie eines arithmetischen Codierers 154, ist. Weiterhin wird das Bitstromsignal auch einem Eingang einer Prädiktionsfiltereinheit 152 zugeführt. Ein Ausgang der Prädiktionsfiltereinheit 152 ist mit einem Eingang einer Wahrscheinlichkeitsbestimmungseinheit 156 gekoppelt. Der arithme tische Codierer 154 codiert das Bitstromsignal in ein datenkomprimiertes Bitstromsignal, und zwar in Reaktion auf Wahrscheinlichkeitswerte p, die dem Eingang 192 zugeführt werden. Die Wahrscheinlichkeitsbestimmungseinheit 156 bestimmt einen Wahrscheinlichkeitswert, der die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bit in dem von der Wandlereinheit 4 gelieferten Bitstromsignal einen vorbestimmten logischen Wert, wie eine "1" hat. Dieser in 10 durch p bezeichnete Wahrscheinlichkeitswert wird dem arithmetischen Codierer 154 zugeführt, damit die Datenkompression des Bitstromsignals in dem arithmetischen Codierer 154 durchgeführt werden kann. Die Bestimmungseinheit 156 ermittelt diesen Wahrscheinlichkeitswert aus dem Ausgangssignal des Prädiktionsfilters 152. Der arithmetische Codierer 154 kann an dem Bitstromsignal auf Frame-zu-Frame-Basis eine Datenkompression durchführen.
Das Funktionieren der Anordnung nach 10 ist wie folgt. Das Prädiktionsfilter 152 führt eine Prädiktionsfilterung an dem Bitstromsignal durch zum Erhalten eines Multi-Bit-Ausgangssignals. Das Multi-Bit-Ausgangssignal hat eine Vielzahl von Pegeln mit einem Bereich von beispielsweise +3 und –3. Weiterhin wird für eine Vielzahl von Subintervallen in dem Wertbereich des Multi-Bit-Ausgangssignals ermittelt, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass das entsprechende Bit in dem Bitstromsignal beispielsweise ein "1" Bit ist. Dies kann dadurch verwirklicht werden, dass die Anzahl "Einsen" und "Nullen" gezählt werden, die in dem Bitstromsignal während eines bestimmten Zeitintervalls auftreten, wenn das Multi-Bit-Ausgangssignal in einem derartigen Bereich liegt. Die auf diese Art und Weise für die jeweiligen Werte in dem Multi-Bit-Ausgangssignal erhaltenen Wahrscheinlichkeiten werden daraufhin als das Wahrscheinlichkeitssignal p dem arithmetischen Codierer 154 zugeführt. Das datenkomprimierte Bitstromsignal wird von dem arithmetischen Codierer 154 einer Ausgangsleitung 158 zugeführt, und zwar zur Übertragung über ein Übertragungsmedium TRM oder einen Aufzeichnungsträger.
11 zeigt eine entsprechende Datenexpansionsanordnung zum Decodieren des datenkomprimierten Bitstromsignals, empfangen über das Übertragungsmedium TRM. Die Datenverarbeitungsanordnung nach 11 umfasst einen Entropiedecoder 172, der das datenkomprimierte Bitstromsignal über einen Eingang 174 empfängt. In dem vorliegenden Beispiel ist der Entropiedecoder 172 in Form eines arithmetischen Decoders, der unter dem Einfluss eines einem Eingang 176 zugeführten Wahrscheinlichkeitssignals p einen arithmetischen Decodierschritt an dem datenkomprimierten Bitstromsignal durch führt, und zwar zum Erzeugen einer Replik des ursprünglichen Bitstromsignals, das einem Ausgang 178 zugeführt wird. Die Replik wird einem Eingang 58 der Rückwandlungseinheit 60 zugeführt.
Weiterhin ist eine Wahrscheinlichkeitsliefereinheit 180 vorhanden zum Liefern des Wahrscheinlichkeitssignals p zu dem arithmetischen Decoder 172. Das Wahrscheinlichkeitssignal p kann verschiedenartig erhalten werden, und zwar abhängig davon, wie das Wahrscheinlichkeitssignal in dem Codierer hergeleitet worden ist. Eine Art und Weise ist, das Wahrscheinlichkeitssignal p auf eine adaptive Weise von dem Ausgangssignal einer Prädiktionsfilters 181 herzuleiten. In dieser Ausführungsform entspricht das Prädiktionsfilter 181 dem Prädiktionsfilter 152 in dem Codierer und die Wahrscheinlichkeitsliefereinheit 180 entspricht der Wahrscheinlichkeitsbestimmungseinheit 156 in dem Codierer nach 10. Eine andere Art und Weise der Erzeugung des Wahrscheinlichkeitssignals p ist durch Verwendung von Nebeninformation, die über das Übertragungsmedium TRM empfangen worden ist, wie nachstehend noch näher erläutert wird.
Nebeninformation kann durch die Anordnung nach 10 zur Übertragung zu der Anordnung nach 11 erzeugt werden. Eine derartige Nebeninformation kann die Filterkoeffizienten für das Filter 152 enthalten, die auf einer Frame-zu-Frame-Basis ermittelt werden, wobei diese Koeffizienten dem entsprechenden Prädiktionsfilter in der Einheit 180 zugeführt werden.
Weiterhin kann die Anordnung nach 10 Parameter erzeugen, welche die Umwandlung des Multi-Bit-Ausgangssignals der Prädiktionsfilters 152 in das Wahrscheinlichkeitssignal p beschreiben. Derartige Parameter befinden sich auch in der Nebeninformation und werden auch zu der Einheit 180 und zu dem Filter 181 übertragen, damit die Regeneration des Wahrscheinlichkeitssignals p in der Anordnung nach 11 auf Basis des von dem Prädiktionsfilter 181 gelieferten Multi-Bit-Ausgangssignals ermöglicht wird.
Der in der Anordnung nach 10 verwendete Entropiecodierer ist dazu vorgesehen, das Bitstromsignal unter Verwendung eines Wahrscheinlichkeitssignals zu codieren, damit das datenkomprimierte Bitstromsignal erhalten wird. Ein derartiger Entropiecodierer ist der oben beschriebene arithmetische Codierer. Ein anderer Typ eines derartigen Entropiecodierers ist beispielsweise der durchaus bekannte "finite state" Codierer. Der in der Ausführungsform nach 11 verwendete Entropiedecoder ist dazu vorgesehen, das datenkomprimierte Bitstromsignal unter Verwendung eines Wahrscheinlichkeitssignals zu decodieren, damit eine Replik des Bitstromsignals erhalten wird. Ein derartiger Entropiedecoder ist der oben beschriebene arithmetische Decoder. Ein anderer Typ eines derartigen Entropiedecoders ist beispielsweise der durchaus bekannte "finite state" Decoder.
Während die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, dürfte es einleuchten, dass es sich dabei um nicht begrenzende Beispiele handelt. Folglich dürften dem Fachmann im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie in den Patentansprüchen definiert, mehrere Ausführungsformen einfallen. Wenn das Audiosignal in digitaler Form geliefert wird, wie mit 44,1 kHz abgetastet, und wenn die Abtastwerte in beispielsweise 16 Bits ausgedrückt werden, sind die Umwandlungsmittel dazu vorgesehen, an dem digitalen Audiosignal mit beispielsweise der Frequenz von 64 × 44,1 kHz eine Überabtastung durchzuführen, damit das 1-Bit Bitstromsignal erhalten wird.
Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung auch auf eine Ausführungsform angewandt werden kann, in der das Bitstromsignal, wie dies von dem Wandler 4 geliefert wird, einen zusätzlichen Signalverarbeitungsschritt erfahren hat, was zu einem verarbeiteten 1-Bit Bitstromsignal führt, das dem verlustfreien Codierer 10 zugeführt wird. Ein derartiger zusätzlicher Signalverarbeitungsschritt könnte das Zusammenfügen eines linken und eines rechten Signalanteils eines Stereo-Audiosignals, in einer 1-Bit Bitstromform, zu einem verarbeiteten 1-Bit Bitstromsignal umfassen.
Weiterhin liegt die vorliegende Erfindung in jedem neunen Merkmal oder in jeder Kombination von Merkmalen.
Bezugsmaterial

(D1) EP-A 402.973 (PHN 13.241)
(D2) "A digital decimating filter for analog-to-digital conversion of hi-fi audio signals" von J. J. van der Kam in "Philips Techn. Rev." 42, Nr. 6/7, April 1986, Seiten 230–8
(D3) "A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D converters" von Kirk C. H. Chao u.a. in "IEEE Trans. On Circuits and Systems" Heft 37, Nr. 3, März 1990, Seiten 309–18
(D4) "A method fort he construction of minimum-redundancy codes", von D. A. Huffman in "Proc. Of the IRE" Heft 40(10), September 1952
(D5) "An introduction to arithmetic coding" von G. G. Langdon, "IBM J. Res. Develop." Heft 28(2), März 1984
(D6) "A universal algorithm for sequential data compression" von J. Ziv u.a., "IEEE Trans. On Inform. Theory", Heft IT-23, 1977.

Text in der Zeichnung
1

Analog-Digital-Wandler

2A

Größe
Frequenz

2B

Größe
Frequenz

5

Decoder
Digital-Analog-Wandler

8

Ferhlerkorrekturcodierer
Kanalcodierer

9

Kanaldecoder
Fehlerkorrektur

10

Analog-Digital-Wandler
Prädiktionsfilter
Arithmetischer Codierer
Wahrscheinlichkeitsbestimmungseinheit

11

Arithmetischer Decoder
Digital-Analog-Wandler
Wahrscheinlichkeitsliefereinheit
Prädiktionsfilter

Claims

Datenkompressionsanordnung zur Datenkompression eines Audiosignals, wobei die Datenkompressionsanordnung die nachfolgenden Elemente aufweist: – Eingangsmittel (1) zum Empfangen des Audiosignals, – Umwandlungsmittel (4) zum Durchführen einer Umwandlung an dem Audiosignal zum Erhalten eines 1-Bit Bitstromsignals, – verlustfreie Codierungsmittel (10) zum Durchführen eines im Wesentlichen verlustfreien Datenkompressionsschrittes an dem Bitstromsignal zum Erhalten eines datenkomprimierten Bitstromsignals, und – Ausliefermittel (14) zum Liefern des datenkomprimierten Bitstromsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsmittel ein Sigma-Delta-Modulator ist und dass die genannten verlustfreien Kompressionsmittel die nachfolgenden Elemente umfassen: – einen Entropiecodierer (154) zur Entropiecodierung des Bitstromsignals in Reaktion auf ein Wahrscheinlichkeitssignals zum Erhalten des genannten datenkomprimierten Bitstromsignals, – Prädiktionsmittel (152) zum Durchführen eines Prädiktionsschrittes an dem Bitstromsignal, und – Wahrscheinlichkeitssignalbestimmungsmittel (156) zum Bestimmen des genannten Wahrscheinlichkeitssignals aus den genannten Prädiktionsmitteln.
Datenkompressionsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Audiosignal ein analoges Audiosignal ist und das Umwandlungsmittel in Form eines Analog-Digital-Wandlermittels ist zum Durchführen einer 1-Bit Analog-Digital-Umwandlung an einem analogen Audiosignal zum Erhalten des genannten Bitstromsignals.
Datenkompressionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Prädiktionsmittel Prädiktionsfiltermittel aufweisen zum Durchführen eines Prädiktionsfiltervorgangs an dem Bitstromsignal zum Erhalten eines mehrwertigen Ausgangssignals und wobei die genannten Wahrscheinlichkeitsbestimmungsmittel dazu vorgesehen sind, das genannte Wahrscheinlichkeitssignal von dem genannten mehrwertigen Ausgangssignal herzuleiten.
Datenkompressionsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Entropiecodierer ein arithmetischer Codierer ist.
Datenkompressionsverfahren zur Datenkompression eines Audiosignals, wobei das Datenkompressionsverfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Empfangen des Audiosignals, – das Durchführen einer Umwandlung an dem Audiosignal zum Erhalten eines 1-Bit Bitstromsignals, – das Durchführen eines im Wesentlichen verlustfreien Datenkompressionsschrittes an dem Bitstromsignal zum Erhalten eines datenkomprimierten Bitstromsignals, und – das Ausliefern des datenkomprimierten Bitstromsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung eine Sigma-Delta-Umwandlung ist, und dass der genannte verlustfreie Kompressionsschritt die nachfolgenden Subschritte umfasst: – das Entropiecodieren des Bitstromsignals in Reaktion auf das Wahrscheinlichkeitssignal zum Erhalten des genannten datenkomprimierten Bitstromsignals, – das Durchführen eines Prädiktionsschrittes an dem Bitstromsignal, und – das Ermitteln des genannten Wahrscheinlichkeitssignals aus dem Ausgangssignal der genannten Prädiktionsmittel.
Datenkompressionsverfahren nach Anspruch 5, wobei der Prädiktionsschritt den Subschritt der Durchführung eines Prädiktionsfiltervorgangs an dem Bitstromsignal aufweist, und zwar zum Erhalten eines mehrwertigen Ausgangssignals, und wobei der genannte Wahrscheinlichkeitsermittlungsschritt den Subschritt aufweist der Herleitung des Wahrscheinlichkeitssignals aus dem genannten mehrwertigen Ausgangssignal.
Sender zum Übertragen eines Audiosignals über ein Übertragungsmedium, mit der Datenkompressionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sender weiterhin die nachfolgenden Elemente umfasst: – Übertragungsmittel (40) zum Zuführen des datenkomprimierten Bitstromsignals zu dem Übertragungsmedium.
Aufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen eines Audiosignals auf einem Aufzeichnungsträger mit der Datenkompressionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Aufzeichnungsgerät die nachfolgenden Elemente umfasst: – Schreibmittel (30) zum Schreiben des datenkomprimierten Bitstromsignals in einer Spur auf dem Aufzeichnungsträger.
Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 8, wobei der Aufzeichnungsträger ein optischer oder magnetischer Aufzeichnungsträger ist.
Aufzeichnungsträger, dadurch gekennzeichnet, dass er ein datenkomprimiertes Bitstromsignal aufweist, das in einer Spur auf dem genannten Aufzeichnungsträger aufgezeichnet worden ist, wobei das datenkomprimierte Bitstromsignal durch Durchführung einer verlustfreien Datenkompression an einem 1-Bitstrom Signal erhalten worden ist, wobei das 1-Bitstrom Signal durch Durchführung einer Umwandlung an einem Audiosignal erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung eine Sigma-Delta-Modulationsumwandlung ist und dass der Verfahrensschritt, in dem die im Wesentlichen verlustfreie Datenkompression durch die nachfolgenden Subschritte durchgeführt worden ist: – das Entropiecodieren des Bitstromsignals in Reaktion auf ein Wahrscheinlichkeitssignal zum Erhalten des genannten datenkomprimierten Bitstromsignals, – das Durchführen eines Prädiktionsschrittes an dem Bitstromsignal, und – das Ermitteln des genannten Wahrscheinlichkeitssignals aus dem Ausgangssignal des genannten Prädiktionsschrittes.
Datenexpansionsanordnung zur Datenexpansion eines datenkomprimierten Audiosignals, zum Erhalten einer Replik eines ursprünglichen Audiosignals, wobei das datenkomprimierte Audiosignal durch verlustfreie Kompression eines von einem Modulator erzeugten Bitstromsignals erhalten worden ist, wobei die Datenexpansionsanordnung Folgendes umfasst: – Eingangsmittel (50) zum Empfangen des datenkomprimierten Audiosignals, das in Form eines datenkomprimierten Bitstromsignals ist, – verlustfreie Decodierungsmittel (54) zum Durchführen eines verlustfreien Datenexpansionsschrittes an dem datenkomprimierten Bitstromsignal zum Erhalten des Bitstromsignals, – Digital-Analog-Wandlermittel (60) zum Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung an dem Bitstromsignal zum Erhalten der Replik des ursprünglichen Audiosignals, – Ausgangsmittel (64) zum Liefern der Replik des ursprünglichen Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, dass der Bitstrom durch einen Sigma-Delta-Modulator erzeugt wird und dass die genannten verlustfreien Decodiermittel die nachfolgenden Elemente umfassen: – einen Entropiedecoder (172) zur Entropiedecodierung des datenkomprimierten Bitstromsignals in Reaktion auf ein Wahrscheinlichkeitssignal zum Erhalten des genannten Bitstromsignals, und – Wahrscheinlichkeitssignalgeneratormittel (180) zum Liefern des genannten Wahrscheinlichkeitssignals.
Datenexpansionsanordnung nach Anspruch 11, wobei der genannten Entropiedecoder ein arithmetischer Decoder ist.
Datenexpansionsanordnung nach Anspruch 11, wobei die Digital-Analog-Umwandlungsmittel einen Sigma-Delta-Demodulator aufweisen.
Datenexpansionsanordnung nach Anspruch 11, wobei der Entropiedecoder ein arithmetischer Decoder ist.
Datenexpansionsverfahren zur Datenexpansion eines datenkomprimierten Audiosignals zum Erhalten einer Replik eines ursprünglichen Audiosignals, des durch verlustfreie Kompression eines von einem Modulator erzeugten Bitstromsignals erhaltenen komprimierten Audiosignals, wobei das Datenexpansionsverfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Empfangen des datenkomprimierten Audiosignals, das in Form eines datenkomprimierten Bitstromsignals ist, – das Durchführen eines verlustfreien Datenexpansionsschrittes an dem datenkomprimierten Bitstromsignal zum Erhalten des Bitstromsignals, – das Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung an dem Bitstromsignal zum Erhalten der Replik des ursprünglichen Audiosignals, – das Liefern der Replik des ursprünglichen Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, dass der Bitstrom von einem Sigma-Delta-Modulator erzeugt wird und der genannte verlustfreie Decodierschritt die nachfolgenden Subschritte umfasst: – die Entropiedecodierung des datenkomprimierten Bitstromsignals in Reaktion auf ein Wahrscheinlichkeitssignal zum Erhalten des genannten Bitstromsignals, und – die Lieferung des genannten Wahrscheinlichkeitssignals.
Datenexpansionsverfahren nach Anspruch 15, wobei der genannte Entropiedecodierschritt einen arithmetischen Decodierschritt umfasst.
Empfänger zum Empfangen eines Audiosignals über ein Übertragungsmedium mit der Datenexpansionsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Empfänger weiterhin Folgendes enthält: – Empfangsmittel (75) zum Erfassen des datenkomprimierten Bitstromsignals von dem Übertragungsmedium.
Wiedergabeanordnung zum Wiedergeben eines Audiosignals von einem Aufzeichnungsträger mit der Datenexpansionsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Wiedergabeanordnung weiterhin Folgendes aufweist: – Auslesemittel (70) zum Auslesen des datenkomprimierten Bitstromsignals aus einer Spur auf dem Aufzeichnungsträger.
Sender nach Anspruch 7, wobei der Sender weiterhin Fehlerkorrekturcodierungsmittel (80) und/oder Kanalcodierungsmittel (82) aufweist zur Fehlerkorrekturcodierung und/oder Kanalcodierung des datenkomprimierten Bitstromsignals vor der Zuführung des datenkomprimierten Bitstromsignals zu dem Übertragungsmedium.
Aufzeichnungsanordnung nach Anspruch 8, weiterhin mit Fehlerkorrektur codierungsmitteln (80) und/oder Kanalcodierungsmitteln (82) zur Fehlerkorrekturcodierung und/oder Kanalcodierung des datenkomprimierten Bitstromsignals vor dem Einschreiben des datenkomprimierten Bitstromsignals auf dem Aufzeichnungsträger.
Empfänger nach Anspruch 17, wobei der Empfänger weiterhin Kanaldecodierungsmittel (90) und/oder Fehlerkorrekturmittel (92) aufweist zur Kanaldecodierung und/oder Fehlerkorrektur des von dem Übertragungsmedium erfassten Signals zum Erhalten des genannten datenkomprimierten Bitstromsignals.
Wiedergabeanordnung nach Anspruch 18, weiterhin mit Kanaldecodierungsmitteln (90) und/oder Fehlerkorrekturmitteln (92) zur Kanaldecodierung und/oder Korrektur des aus dem Aufzeichnungsträger ausgelesenen Signals zum Erhalten des genannten datenkomprimierten Bitstromsignals.