ES2285551T3 - Esquema de codificacion predictiva. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para codificar de manera predictiva una señal de información que incluye una secuencia de valores de información por medio de un algoritmo de predicción adaptativo, cuyos coeficientes (omegai) de predicción pueden inicializarse y que puede controlarse mediante un parámetro (lambda) de velocidad para operar con una primera velocidad de adaptación y una primera precisión de adaptación en caso de que el parámetro (lambda) de velocidad presente un primer valor y operar con una segunda velocidad de adaptación menor comparada con la primera y una segunda precisión de adaptación mayor comparada con la primera, en caso de que el parámetro (lambda) de velocidad presente un segundo valor, caracterizado por las siguientes etapas: A) inicializar (40) los coeficientes (omegai) de predicción; B) controlar (42) el algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (lambda) de velocidad al primer valor; C) codificar (44) valores de información sucesivos de la señal de información por medio del algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (lambda) de velocidad ajustado al primer valor, mientras que una duración predeterminada después de la etapa B) no haya transcurrido para codificar la primera parte de la señal de información; D) después de transcurrir de la duración predeterminada después de la etapa B), controlar (50) el algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (lambda) de velocidad al segundo valor; y E) codificar (44) valores de información de la señal de información después de los valores de información codificados en la etapa C) por medio del algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (lambda) de velocidad ajustado al segundo valor para codificar una segunda parte de la señal de información después de la primera parte.
Description
Esquema de codificación predictiva.
La presente invención se refiere a la
codificación predictiva de señales de información, tales como, por
ejemplo, señales de audio, y en particular, a la codificación
predictiva adaptativa.
Un codificador o transmisor predictivo, codifica
señales prediciendo un valor presente o actual de la señal que va a
codificarse por medio de los valores previos o precedentes de la
señal. En el caso de la predicción lineal, esta predicción o
presunción se logra a través del valor actual de la señal mediante
una suma ponderada de los valores previos de la señal. Los cálculos
de predicción o coeficientes de predicción se ajustan o se adaptan
continuamente a la señal a fin de minimizar la diferencia entre la
señal predicha y la señal real de una manera predeterminada. Los
coeficientes de predicción, por ejemplo, se optimizan con respecto
al cuadrado del error de predicción. Sin embargo, el criterio de
error al optimizar el codificador predictivo o predictor, también
puede seleccionarse de otra manera. En lugar de utilizar el criterio
de error cuadrático mínimo, puede minimizarse la uniformidad
espectral de la señal de error, es decir, de las diferencias o
residuales.
Solo las diferencias entre los valores predichos
y los valores reales de la señal se transmiten al decodificador o
también al receptor. Estos valores se denominan residuales o también
errores de predicción. El valor de señal real puede reconstruirse
en el receptor utilizando el mismo predictor y sumando el valor
predicho obtenido de la misma manera que en el codificador para el
error de predicción que se ha transmitido por el codificador.
Los valores de predicción para la predicción
pueden adaptarse a la señal con una velocidad predeterminada. En el
así llamado algoritmo de cuadrados mínimos medios (LMS), se utiliza
un parámetro para esto. El parámetro debe ajustarse de una manera
que actúa como tránsito entre la velocidad de adaptación y la
precisión de los coeficientes de predicción. Este parámetro, que
algunas veces se denomina parámetro de incrementos, determina por
tanto la rapidez con la que se adaptan los coeficientes de
predicción a un ajuste óptimo de coeficientes de predicción, de
modo que un conjunto de coeficientes de predicción no ajustados de
manera óptima da como resultado que la predicción sea menos precisa
y por tanto que los errores de predicción sean mayores, lo que a su
vez se refleja en un aumento en la tasa en bits para transmitir la
señal dado que pueden transmitirse pequeños valores o pequeños
errores de predicción o diferencias con menos bits que los más
grandes. El documento US6104996 describe un codificador predictivo
adaptativo que conmuta la disposición de predicción en función de
las propiedades de la señal que va a codificarse.
Un problema en la codificación predictiva
consiste en que en el caso de errores de transmisión, es decir, si
se presentan diferencias o errores de predicción transmitidos
incorrectamente, la predicción ya no será la misma en el lado
transmisor y en el lado receptor. Los valores incorrectos se
reconstruyen dado que, cuando se presenta un primer error de
predicción, éste se suma en el lado receptor al valor actualmente
predicho para obtener el valor decodificado de la señal. También
los valores subsiguientes se ven afectados dado que la predicción
en el lado receptor se lleva a cabo sobre la de los valores de señal
ya decodificados.
A fin de obtener la
re-sincronización o un equilibrio entre el
transmisor y el receptor, los predictores, es decir, los algoritmos
de predicción, se restauran a un cierto estado en el lado transmisor
y el lado receptor en momentos predeterminados iguales para ambos
lados, un proceso denominado también como reajuste.
Sin embargo, es problemático que directamente
después de tal reajuste los coeficientes de predicción no se
ajusten a la señal en modo alguno. La adaptación de estos
coeficientes de predicción, sin embargo, requerirá siempre algún
tiempo comenzando desde los momentos de reajuste. Esto aumenta el
error de predicción medio dando como resultado un aumento en la
tasa en bits o reducción en la calidad de señal debido, por ejemplo,
a distorsiones.
Consecuentemente, el objetivo de la presente
invención consiste por tanto en proporcionar un esquema para la
codificación predictiva de una señal de información, que, por una
parte, permite una robustez más suficiente frente a errores en los
valores de diferencia o residuales de la señal de información
codificada y, por otra parte, permite un menor aumento vinculado a
esto en la tasa en bits o disminución en la calidad de señal.
Este objetivo se logra mediante un dispositivo
según las reivindicaciones 7 o 19, o un procedimiento según las
reivindicaciones 1 o 13.
La presente invención se basa en el
descubrimiento de que un ajuste fijo hasta el momento del parámetro
de velocidad del algoritmo de predicción adaptativo que sirve como
base de una codificación predictiva, debe abandonarse en favor de
un ajuste variable de este parámetro. Si se parte de un algoritmo de
predicción adaptativo controlable por un coeficiente de velocidad
para operar con una primera velocidad de adaptación y una primera
precisión de adaptación, y una primera precisión de predicción
relacionada con esto, en caso de que el coeficiente de velocidad
presente un primer valor, y para operar con una segunda velocidad de
adaptación menor comparada con la primera, y una segunda precisión
más alta comparada con la primera, en caso de que el parámetro de
velocidad presente un segundo valor, entonces las duraciones de
adaptación que se presentan después de los momentos de reajuste
cuando los errores de predicción se incrementan al principio debido
a que los coeficientes de predicción están adaptados aún pueden
disminuir ajustando primero el parámetro de velocidad al primer
valor y, después de un tiempo, al segundo valor. Después de ajustar
el parámetro de velocidad de nuevo al segundo valor, después de una
duración predeterminada después de los momentos de reajuste, los
errores de predicción y por tanto los residuales que van a
transmitirse se encuentran más optimizados o son más pequeños de lo
que sería posible con el primer valor de parámetro de velo-
cidad.
cidad.
Dicho de otra manera, la presente invención se
basa en el descubrimiento de que los errores de predicción pueden
minimizarse después de los momentos de reajuste alternado el
parámetro de velocidad, tal como, por ejemplo, el parámetro de
incrementos de un algoritmo LMS, durante una cierta duración después
de los momentos de reajuste de manera que la velocidad de
adaptación de los cálculos aumenta durante esta duración con una
precisión ciertamente más reducida.
A continuación se explican con más detalles
ejemplos de realización preferidos de la presente invención con
referencia a los dibujos adjuntos. Muestran:
la figura 1, un diagrama de circuito en bloque
de un codificador predictivo según un ejemplo de realización de la
presente invención;
la figura 2, un diagrama de circuito en bloque
para ilustrar el modo de funcionamiento del codificador de la
figura 1;
la figura 3, un diagrama de circuito en bloque
de un decodificador correspondiente al codificador de la figura 1
según un ejemplo de realización de la presente invención;
la figura 4, un diagrama de flujo para ilustrar
el modo de funcionamiento del decodificador de la figura 3;
la figura 5, un diagrama de circuito en bloque
del medio de predicción de las figuras 1 y 3 según un ejemplo de
realización de la presente invención;
la figura 6, un diagrama de circuito en bloque
del filtro transversal de la figura 5 según un ejemplo de
realización de la presente invención;
la figura 7, un diagrama de circuito en bloque
del controlador de adaptación de la figura 5 según un ejemplo de
realización de la presente invención; y
la figura 8, un diagrama para ilustrar el
comportamiento del medio de predicción de la figura 5 para dos
parámetros de velocidad diferentes ajustados de manera fija.
Antes de tratar la presente invención en mayor
detalle mediante ejemplos de realización con referencia a las
figuras, debe indicarse que los elementos presentados en las
diferentes figuras están dotados con los mismos números de
referencia y por lo tanto que se omite la descripción repetida de
estos elementos.
La figura 1 muestra un codificador 10 predictivo
según un ejemplo de realización de la presente invención. El
codificador 10 incluye una entrada 12 en la que el mismo recibe la
señal s de información que va a codificarse y una salida 14 en la
que sale la señal \delta de información codificada.
La señal de información puede ser cualquier
señal, tal como, por ejemplo, una señal de audio, una señal de
vídeo, una señal de medición o similar. La señal s de información se
compone de una secuencia de valores de informa-
ción s(i) con i\epsilon/N, es decir, valores de audio, valores de píxel, valores de medición o similar. La señal \delta de información codificada incluye, como se tratará en mayor detalle más adelante, una secuencia de valores de diferencia o residuales \delta(i) con i\epsilon/N, que corresponden a los valores s(i) de señal de la manera descrita más adelante.
ción s(i) con i\epsilon/N, es decir, valores de audio, valores de píxel, valores de medición o similar. La señal \delta de información codificada incluye, como se tratará en mayor detalle más adelante, una secuencia de valores de diferencia o residuales \delta(i) con i\epsilon/N, que corresponden a los valores s(i) de señal de la manera descrita más adelante.
Internamente, el codificador 10 incluye medios
16 de predicción, un substractor 18 y medios 20 de control. Los
medios 16 de predicción están conectados a la entrada 12 para
determinar, como se tratará en mayor detalle más adelante, un valor
s'(n) predicho a partir de valores s(m) de señal previos,
m>n y M\epsilonIN, para un valor s(n) de señal actual,
y para dar salida en una salida que a su vez está conectada a una
entrada de inversión del substractor 18. Una entrada de no
inversión del substractor 18 también está conectada a la entrada 12
para sustraer el valor s'(m) predicho a partir del valor s(n)
de señal real, o simplemente formar la diferencia de los dos
valores, y para dar salida al resultado en la salida 14 como el
valor \delta(n) de diferencia.
Los medios 16 de predicción implementan un
algoritmo de predicción adaptativo. Para poder llevar a cabo la
adaptación, estos reciben el valor \delta(n) de diferencia,
denominado también como error de predicción, en otra entrada a
través de una trayectoria 22 de retroalimentación. Además, los
medios 16 de predicción incluyen dos entradas de control conectadas
a los medios 20 de control. Por medio de estas entradas de control,
los medios 20 de control pueden inicializar coeficientes de
predicción o coeficientes \omega_{i} de filtro de los medios 16
de predicción en ciertos momentos, como se tratará en mayor detalle
más adelante, y pueden cambiar un parámetro de velocidad del
algoritmo de predicción que sirve de base a los medios 16 de
predicción, que se indicarán subsecuentemente con \lambda.
Después de haber descrito anteriormente la
estructura del codificador 10 de la figura 1 con referencia a la
figura 1, se describirá el modo de funcionamiento del mismo
subsecuentemente con referencia a la figura 2, con referencia
simultánea a la figura 1, en la que se parte a continuación de que
se encuentra a punto de procesar una señal s de información que va
a codificarse, es decir, los valores s(m) de señal con m>n
ya se han codificado.
En una etapa 40, los medios 20 de control al
principio inicializan los coeficientes \omega_{i} de filtro o
de predicción de los medios 16 de predicción. La inicialización
según la etapa 40 tiene lugar en momentos de reajuste
predeterminados. Los momentos de reajuste o más precisamente, los
números de valor de señal n, en los que se ha efectuado un reajuste
según la etapa 40, pueden, por ejemplo, presentarse en intervalos de
tiempo fijos. Los momentos de reajuste pueden reconstruirse en el
lado del decodificador, por ejemplo integrando la información
acerca de los mismos en la señal \delta de información codificada
o estandarizando el intervalo de tiempo fijo o el número fijo de
valores de señal entre los mismos.
Los coeficientes \omega_{i} se ajustan a
todo valor que, por ejemplo, sea el mismo en cualquier momento de
reajuste, es decir, cada vez que se ejecuta la etapa 40.
Preferentemente, los coeficientes de predicción se inicializan en
la etapa 40 a valores que se han derivado de manera heurística a
partir de señales de información típicas representativas y a este
respecto dieron como resultado, en promedio, es decir, sobre el
conjunto representativo de señales de información, tales como, por
ejemplo, una mezcla de piezas musicales de jazz, clásico, rock,
etc., un conjunto óptimo de coeficientes de predicción.
En una etapa 42, los medios 20 de control
ajustan el parámetro \lambda de velocidad a un primer valor,
ejecutándose las etapas 40 y 42 preferentemente esencialmente de
manera simultánea a los momentos de reajuste. Tal como resultará
evidente más adelante, el ajuste del parámetro de velocidad al
primer valor tiene la consecuencia de que los medios 16 de
predicción llevan a cabo una adaptación rápida de los coeficientes
\omega_{i} de predicción inicializados en la etapa 40, en el
caso de una precisión de adaptación ciertamente más reducida.
En la etapa 44, los medios 16 de predicción y el
substractor 18 cooperan como medios de predicción para codificar la
señal s de información y, en particular, el valor s(n) de
señal actual prediciendo el mismo al adaptar los coeficientes
\omega_{i} de predicción. Más precisamente, la etapa 44 incluye
diversas sub-etapas, a saber, determinar un valor
s'(n) predicho para el valor s(n) de señal actual mediante
los medios 16 de predicción utilizando los valores
s(m)de señal previos con m>n al utilizar los
coeficientes \omegai de predicción actuales, sustraer el valor
s'(n) predicho de esta manera a partir del valor s(n) de
señal real por medio del substractor 18, dar salida al valor
\delta(n) de diferencia resultante en la salida 14 como
parte de la señal \delta de información codificada y adaptar o
ajustar los coeficientes \omega_{1} por medio de los medios 16
de predicción mediante el error de predicción o valor
\delta(n) de diferencia que se obtiene a través de la
trayectoria 22 de retro-alimentación.
Los medios 16 de predicción utilizan, para la
adaptación o ajuste de los coeficientes \omegai de predicción, el
parámetro \lambda de velocidad predeterminado o ajustado por los
medios 20 de control que, como se describirá en mayor detalle más
adelante con referencia al ejemplo de realización de un algoritmo
LMS, determina la magnitud del error \delta(n) de
predicción retroalimentado por iteración de ajuste, en la presente
n, influye en la adaptación o actualización de los coeficientes
\omegai de predicción o la intensidad con la que pueden cambiar
los coeficientes \omegai de predicción dependiendo del error
\delta(n)de predicción por iteración de adaptación,
es decir, por retroalimentación de \delta(n).
En una etapa 46, los medios 20 de control
verifican si el parámetro de velocidad \lambda va a alterarse o
no. La determinación de la etapa 46 puede efectuarse de diferentes
maneras. A modo de ejemplo, los medios 20 de control determinan que
debe efectuarse un cambio en el parámetro de velocidad cuando ha
pasado una duración predeterminada desde la inicialización o ajuste
en la etapa 40 y 42, respectivamente. Alternativamente, los medios
20 de control para la determinación, evalúan en la etapa 46, un
grado de adaptación de los medios 16 de predicción, tal como, por
ejemplo, la aproximación a un conjunto óptimo de coeficientes
\omega_{i} con un error medio de predicción
correspondientemente bajo, como se tratará en mayor detalle más
adelante.
Se supone que al principio no se reconoce ningún
cambio en el parámetro de velocidad en la etapa 46. En este caso,
los medios 20 de control verifican en la etapa 48, si existe de
nuevo un momento de reajuste, es decir, un momento en el que por
razones de re-sincronización, los coeficientes de
predicción deben inicializarse de nuevo. Al principio, se asume de
nuevo que no existe momento de reajuste. Si no existe momento de
reajuste, los medios 16 de predicción continuarán codificando el
siguiente valor de señal, como se indica en la figura 2 por
"n\rightarrow n + 1". De esta manera, la codificación de la
señal s de información al adaptar los coeficientes \omegai de
predicción con la velocidad de adaptación, como se ajusta mediante
el parámetro \lambda de velocidad continúa hasta que finalmente
los medios 20 de control determinan en la etapa 46, al pasar el
circuito 44, 46, 48, que va a efectuarse un cambio en el parámetro
de velocidad. En este caso, los medios 20 de control ajustan el
parámetro \lambda de velocidad a un segundo valor en una etapa 50.
El ajuste del parámetro \lambda de velocidad al segundo valor da
como resultado que los medios 16 de predicción, al pasar el circuito
44-4 en la etapa 44, realizan la adaptación de los
coeficientes \omegai de predicción con una velocidad de adaptación
menor de ahí en adelante, sin embargo, con un aumento en la
precisión de adaptación, de manera que en estos pasos que siguen al
momento de cambio del parámetro de velocidad, que se refieren a
valores de señal subsiguientes de la señal s de información, los
residuales \delta(n) resultantes se harán más pequeños, lo
que a su vez permite un aumento en la tasa de compresión al
integrar los valores \delta(n) en la señal codificada.
Después de haber pasado el circuito
44-48 varias veces, los medios 20 de control en
algún momento, reconocen un momento de reajuste en la etapa 48, con
lo cual el flujo funcional comienza de nuevo en la etapa 40.
También debe indicarse que en la descripción
precedente no se ha tratado con detalle la manera en la que se
integra la secuencia de valores \delta(n) de diferencia en
la señal \delta de información codificada. Aunque sería posible
integrar los valores \delta(n) de diferencia en la señal
codificada en una representación binaria que tiene una longitud de
bits fija, es, sin embargo, más ventajoso, codificar los valores
\delta(n) de diferencia con una longitud de bits variable,
tal como, por ejemplo, una codificación Huffman o una codificación
aritmética u otra codificación de entropía. Una ventaja en la tasa
en bits o una ventaja de una menor cantidad de bits requerida para
codificar la señal s de información se produce ahora en el
codificador 10 de la figura 1 porque después de los momentos de
reajuste el parámetro \lambda de velocidad se ajusta en primer
lugar temporalmente de modo que la velocidad de adaptación grande,
de manera que los coeficientes de predicción que no se han adaptado
hasta ahora se adaptan rápidamente, y después el parámetro de
velocidad se ajusta de manera que la precisión de adaptación es
mayor de manera que los errores de predicción subsiguientes son más
pequeños.
Después de que se ha descrito anteriormente la
codificación predictiva según un ejemplo de realización de la
presente invención, se describe a continuación un decodificador
correspondiente al codificador de la figura 1 en estructura y modo
de funcionamiento con referencia a las figuras 3 y 4 según un
ejemplo de realización de la presente invención. El decodificador
está indicado en la figura 3 por el número de referencia 60. Éste
incluye una entrada 62 para recibir la señal \delta de información
codificada que se compone de los valores de diferencia o residuales
\delta(n), una salida 64 para dar salida a la señal
\hat{s} de información decodificada que corresponde a la señal
s(n) de información original excepto para errores de redondeo
en la representación del valor \delta(n) de diferencia y
se compone de manera correspondiente de una secuencia de valores
\hat{s}(n) de señal decodificados, medios 66 de predicción
idénticos a o teniendo la misma función que los del codificador 10
de la figura 1, un sumador 68 y medios 70 de control. Debe indicarse
que en lo sucesivo no se realiza ninguna diferenciación entre los
valores s(n) de señal decodificados y los valores s(n)
de señal originales, sino que ambos denominarán como s(n),
aclarándose el significado respectivo de s(n) a partir del
contexto.
Una entrada de los medios 66 de predicción está
conectada a la salida 64 para obtener valores s(n) de señal
ya decodificados. A partir de estos valores s(m)de
señal con m>n, ya decodificados, los medios 66 de predicción
calculan un valor s'(n) predicho para un valor s(n) de señal
actual que va a decodificarse, y da salida a este valor predicho en
una primera entrada del sumador 68. Una segunda entrada del sumador
68 está conectada a la entrada 62 para sumar el valor s'(n)
predicho y el valor \delta(n) de diferencia y para dar
salida al resultado o la suma en la salida 64 como parte de la
señal \hat{s} decodificada y en la entrada de los medios 66 de
predicción para predecir el siguiente valor de señal.
Otra entrada de los medios 66 de predicción está
conectada a la entrada 62 para obtener el valor \delta(n)
de diferencia, utilizándose entonces este valor para adaptar los
coeficientes \omega_{i} de predicción actuales. Como en los
medios 16 de predicción de la figura 1, los coeficientes \omegai
de predicción pueden inicializarse por los medios 70 de control, al
igual que el parámetro \lambda de velocidad puede variar mediante
los medios 70 de control.
El modo de funcionamiento del decodificador 60
se describirá a continuación con referencia al mismo tiempo a las
figuras 3 y 4. En las etapas 90 y 92 correspondientes a las etapas
40 y 42, los medios 70 de control inicializan en primer lugar los
coeficientes \omega_{i} de predicción de los medios 66 de
predicción y ajusta el parámetro \lambda de velocidad del mismo a
un primer valor correspondiente a una velocidad de adaptación más
alta, aunque también a una precisión de adaptación reducida.
En una etapa 94, los medios 66 de predicción
decodifican la señal \delta de información decodificada o el
valor \delta(n) de diferencia actual prediciendo la señal
de información al adaptar los coeficientes \omega_{i} de
predicción. Más exactamente, la etapa 94 incluye diversas
sub-etapas. En primer lugar, los medios 66 de
predicción conociendo los valores s(m) de señal ya
decodificados con m>n, predicen el valor de señal actual que va
a determinarse a partir de los mismos para obtener el valor s'(n)
predicho. De esta manera, los medios 66 de predicción utilizan los
coeficientes \omega_{i} de predicción actuales. El valor
\delta(n) de diferencia actual que va a decodificarse se
suma por medio del sumador 68 al valor s'(n) predicho para dar
salida a la suma obtenida de esta manera como parte de la señal
\hat{s} decodificada en la salida 64. Sin embargo, la suma
también se introduce en los medios 66 de predicción que utilizarán
este valor s(n) en las siguientes predicciones.
Adicionalmente, los medios 66 de predicción utilizan el valor
\delta(n) de diferencia de la corriente de señal
codificada para adaptar los coeficientes \omega_{i} de
predicción actuales, estando predeterminada la velocidad de
adaptación y la precisión de adaptación mediante el parámetro
\lambda de velocidad actualmente ajustado. Los coeficientes
\omega_{i} de predicción se actualizan o se adaptan de esta
manera.
En una etapa 96 correspondiente a la etapa 46 de
la figura 2, los medios de control verifican si va a tener lugar
una modificación en el parámetro de velocidad. Si éste no es el
caso, en una etapa 98 correspondiente a la etapa 48 los medios 70
de control determinan si existe un momento de reajuste. Si no es el
caso, el circuito de las etapas 94-98 se recorrerá
de nuevo, esta vez para el siguiente valor s(n) de señal o el
siguiente valor \delta(n) de diferencia, como se indica en
la figura 4 por "n\rightarrow n + 1".
Sin embargo, si existe un momento de
modificación en el parámetro de velocidad en la etapa 96, en una
etapa 100 los medios 70 de control ajustan el parámetro \lambda
de velocidad a un segundo valor que corresponde a una velocidad de
adaptación más baja aunque también a una precisión de adaptación más
alta, como se ha tratado ya con respecto a la codificación.
Como ya se ha mencionado, se asegura ya sea por
medio de la información en la señal 62 de información codificada o
por medio de la estandarización, que las modificaciones en el
parámetro de velocidad y los momentos de reajuste se presentan en
las mismas posiciones o entre los mismos valores de señal o los
valores de señal decodificados, a saber en el lado transmisor y en
el lado receptor.
Después de describir un esquema de codificación
predictiva según un ejemplo de realización de la presente invención
en referencia a las figuras 1-4, se describirá ahora
un ejemplo de realización especial de los medios 16 de predicción
con referencia ahora a las figuras 5-7, ejemplo de
realización según el cual los medios 16 de predicción operan según
un algoritmo de adaptación LMS.
La figura 5 muestra la estructura de los medios
16 de predicción según el ejemplo de realización del algoritmo LMS.
Como ya se ha descrito con referencia a las figuras 1 y 3, los
medios 16 de predicción incluyen una entrada 120 para los valores
s(n) de señal, una entrada 122 para errores de predicción o
valores \delta(n) de diferencia, dos entradas 124 y 126 de
control para inicializar los coeficientes \omega_{i} o el ajuste
del parámetro \delta de velocidad, y una salida 128 para dar
salida al valor s'(n) predicho. Internamente, los medios 16 de
predicción incluyen un filtro 130 transversal y un controlador 132
de adaptación. El filtro 130 transversal está conectado entre la
entrada 120 y la salida 128. El controlador 132 de adaptación está
conectado a las dos entradas 124 y 126 de control y adicionalmente
a las entradas 120 y 122 e incluye también una salida para
transmitir valores \delta\omega_{i} de corrección para los
coeficientes \omega_{i} hacia el filtro 130 transversal.
El algoritmo LMS implementado por los medios 16
de predicción, dado el caso en cooperación con el substractor 18
(figura 1), es un algoritmo lineal de filtro adaptativo que, en
general, consiste de dos procesos básicos:
1. Un proceso de filtro que incluye (a) calcular
la señal s'(n) de salida de un filtro lineal que responde a una
señal s(n) de entrada por medio del filtro 130 transversal y
(b) generar un error \delta(n) de estimación comparando la
señal de salida s'(n) con una respuesta deseada de s(n)
mediante el substractor 18 u obtener el error \delta(n) de
estimación de la señal \delta de información codificada.
2. Un proceso adaptativo efectuado por el
controlador 132 de adaptación y que comprende un ajuste automático
de los coeficientes \omega_{i} de filtro del filtro 130
transversal según el error \delta(n) e estimación.
La combinación de estos dos procesos que actúan
conjuntamente da como resultado un circuito de retroalimentación,
como ya se ha tratado con referencia a las figuras 1 a 4.
Los detalles del filtro 130 transversal se
ilustran en la figura 6. El filtro 130 transversal recibe en una
entrada 140 la secuencia de los valores s(n) de señal. A la
entrada 140 le sigue una conexión en serie de m elementos 142 de
retardo de manera que los valores
s(n-1)...s(n-m) de
señal que preceden al valor s(n) de señal actual se
encuentran presentes en nodos de conexión entre los m elementos 142
de retardo. Cada uno de estos valores
s(n-1)...s(n-m) de
señal o cada uno de estos nodos de conexión se aplica a uno de los m
medios 144 de cálculo calculando o multiplicando el valor de señal
de aplicación respectivo mediante un cálculo de predicción
respectivo o un respectivo coeficiente de filtro \omega_{i} con
i = l...m. Los medios 144 de cálculo dan salida a su resultado en
uno respectivo de una pluralidad de sumadores 146 conectados en
serie de manera que el valor de estimación o valor predicho s'(m)
da como resultado \sum^{m}_{i=0} \omega_{i} \cdot
s(n - i) en una salida 148 del filtro 130 transversal a
partir de la suma del último sumador de la conexión en serie.
En un sentido más amplio, el valor s'(n) de
estimación se acerca a un valor predicho según la solución Wiener
en un entorno estacionario en sentido más amplio, cuando el número
de iteraciones n alcanza el infinito.
El controlador 132 de adaptación se muestra en
mayor detalle en la figura 7. El controlador 132 de adaptación
incluye por tanto una entrada 160 en la que se recibe la secuencia
de valores \delta(n) de diferencia. Se multiplican en
medios 162 de cálculo mediante el parámetro \lambda de velocidad
que también se denomina como parámetro de incrementos. El resultado
se alimenta a una pluralidad de m medios 164 de multiplicación
multiplicándolo por uno de los valores
s(n-1)...s(n-m) de
señal. Los resultados de los multiplicadores 164 forman valores
\delta\omega_{i}... \delta\omega_{m} de corrección.
Consecuentemente, los valores \delta\omega_{i}...
\delta\omega_{m} de corrección representan una versión en
escala del producto interno del error \delta(n) de
estimación y del vector de valores
s(n-1)...s(n-m) de
señal. Estos valores de corrección se suman antes de la siguiente
etapa de filtro a los coeficientes \omega_{i}... \omega_{m}
actuales de manera que la siguiente etapa de iteración, es decir,
para el valor s(n + 1) de señal, en el filtro 130
transversal se lleva a cabo con los nuevos coeficientes adaptados
\omega_{i}\rightarrow\omega_{m} +
\delta\omega_{i}.
El factor \lambda de escala utilizado en el
controlador 132 de adaptación y, como ya se había mencionado
denominado como parámetro de incrementos, puede considerarse una
cantidad positiva y debe cumplir ciertas condiciones en relación
con el contenido espectral de la señal de información para que el
algoritmo LMS efectuado por los medios 16 de las figuras 5 a 7 sea
estable. Aquí, la estabilidad significa que con el aumento de n, es
decir, cuando la adaptación se lleva a cabo con duración infinita,
el error cuadrático medio generado por el filtro 130 alcanza un
valor constante. Un algoritmo que cumple con esta condición se
denomina estable en el medio cuadrático.
Una modificación del parámetro \lambda de
velocidad ocasiona una modificación en la precisión de adaptación,
es decir, en precisión, dado que los coeficientes \omega_{i}
pueden ajustarse a un conjunto óptimo de coeficientes. El mal
ajuste de los coeficientes de filtro da como resultado un incremento
en el error cuadrático medio o en la energía en los valores de
diferencia \delta en estado de reposo n\rightarrow\infty. En
particular, el circuito de retroalimentación que actúa en los
cálculos \omega_{i}, como un filtro de paso bajo, cuya
constante de duración de determinación es inversamente proporcional
al parámetro \lambda. Consecuentemente, el proceso de adaptación
se retarda al ajustar el parámetro \lambda a un valor pequeño,
filtrándose los efectos del ruido de gradiente en los cálculos
\omega_{i} en su mayor parte. Esto tiene el efecto inverso de
reducir el mal
ajuste.
ajuste.
La figura 8 representa la influencia del ajuste
del parámetro \lambda a diferentes valores \lambda_{1} y
\lambda_{2} en el comportamiento de adaptación de los medios 16
de predicción de las figuras 5 a 7 mediante una gráfica en la que
el número de iteraciones n o el número de predicciones y
adaptaciones n se ilustra a lo largo del eje x y la energía media
de los valores \delta(n) residuales, o el error cuadrático
medio se ilustra a lo largo del eje y. Una línea continua se
refiere a un parámetro \lambda_{1} de velocidad. Como puede
observarse, la adaptación a un estado estacionario en el que la
energía media de los valores residuales básicamente permanece
constante, requiere un número n_{1} de iteraciones. La energía de
los valores residuales en el estado de reposo o casi estacionario
es E_{1}. Con un parámetro \lambda_{2} de velocidad mayor se
produce una curva con líneas discontinuas quebrada resulta, de modo
que, como puede verse, se requieren menos iteraciones,
concretamente n_{2} hasta alcanzar el estado en reposo, estando
relacionad el estado en reposo, sin embargo, con una energía
E_{2} más alta de los valores residuales. El estado en reposo en
E_{1} o E_{2} no se caracteriza solamente por el establecimiento
del error cuadrático medio de los valores residuales o residuales a
un valor asimptótico, sino que también por un establecimiento de los
coeficientes \omega_{i} de filtro al conjunto óptimo de
coeficientes de filtro con una cierta precisión que en el caso de
\lambda_{1} es mayor y en el caso de \lambda_{2} es
menor.
Sin embargo, si como se ha descrito con
referencia a las figuras 1 a 4, el parámetro \lambda de velocidad
se ajusta en primer lugar al valor \lambda_{2}, entonces se
logra al principio una adaptación de los coeficientes
\omega_{i} más rápida, ocupándose la modificación a
\lambda_{1} después de una cierta duración tras los momentos de
reajuste de mejorar la precisión de adaptación para el espacio de
tiempo subsiguiente. En conjunto se logra una curva de energía del
valor residual que permite una mayor compresión que mediante solo
uno de los dos ajustes de parámetro.
Con respecto a la descripción anterior de las
figuras debe indicarse que la presente invención no se limita a
implementaciones del algoritmo LMS. Aunque, con referencia a las
figuras 5-8, la presente invención se ha descrito
en mayor detalle con referencia al algoritmo LMS como un algoritmo
de predicción adaptativo, la presente invención también puede
aplicarse en conexión con otros algoritmos de predicción adaptativo
en los que pueden efectuarse un ajuste de la adaptación entre la
velocidad de adaptación, por una parte, y la precisión de
adaptación, por otra parte a través de un parámetro de velocidad.
Dado que la precisión de adaptación a su vez influye en la energía
del valor residual, el parámetro de velocidad puede ajustarse
siempre al principio de manera que la velocidad de adaptación sea
grande, por lo que se ajusta entonces a un valor en el que la
velocidad de adaptación es pequeña, aunque la precisión de
adaptación y por tanto la energía de los valores residuales es
menor. Con tales algoritmos de predicción, por ejemplo, no es
necesario que exista una conexión entre la entrada 120 y el
controlador 132 de adaptación.
Adicionalmente ha de indicarse que en lugar de
la duración fija descrita anteriormente después de los momentos de
reajuste para accionar la modificación del parámetro de velocidad,
también puede llevarse a cabo un accionamiento dependiendo del
grado de adaptación, tal como, por ejemplo, un accionamiento de una
modificación del parámetro de velocidad cuando las correcciones
\delta\omega del coeficiente, tales como, por ejemplo, la suma
de sus valores absolutos, caen por debajo de un cierto valor,
indicando una aproximación al estado casi estacionario, como se
muestra en la figura 8, hasta un cierto grado de aproximación.
En particular, se observa que dependiendo de las
circunstancias, el esquema de la invención también puede
implementarse en software. La implementación puede efectuarse en un
medio de almacenamiento digital, en particular en un disquete o CD
que tiene señales de control que pueden leerse electrónicamente, que
pueden cooperar con un sistema informático programable de manera
que el procedimiento correspondiente se ejecute. En general, la
invención consiste también por tanto en un producto de programa
informático con un código de programa almacenado en un soporte
legible en máquina para llevar a cabo el procedimiento de la
invención cuando el producto de programa informático se ejecuta en
un ordenador. Dicho de otro modo, la invención también puede
efectuarse como un programa informático con un código de programa
para llevar a cabo el procedimiento cuando el programa informático
se ejecuta en un ordenador.
Claims (25)
1. Procedimiento para codificar de manera
predictiva una señal de información que incluye una secuencia de
valores de información por medio de un algoritmo de predicción
adaptativo, cuyos coeficientes (\omega_{i}) de predicción
pueden inicializarse y que puede controlarse mediante un parámetro
(\lambda) de velocidad para operar con una primera velocidad de
adaptación y una primera precisión de adaptación en caso de que el
parámetro (\lambda) de velocidad presente un primer valor y operar
con una segunda velocidad de adaptación menor comparada con la
primera y una segunda precisión de adaptación mayor comparada con la
primera, en caso de que el parámetro (\lambda) de velocidad
presente un segundo valor, caracterizado por las siguientes
etapas:
- A)
- inicializar (40) los coeficientes (\omegai) de predicción;
- B)
- controlar (42) el algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al primer valor;
- C)
- codificar (44) valores de información sucesivos de la señal de información por medio del algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al primer valor, mientras que una duración predeterminada después de la etapa B) no haya transcurrido para codificar la primera parte de la señal de información;
- D)
- después de transcurrir de la duración predeterminada después de la etapa B), controlar (50) el algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al segundo valor; y
- E)
- codificar (44) valores de información de la señal de información después de los valores de información codificados en la etapa C) por medio del algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al segundo valor para codificar una segunda parte de la señal de información después de la primera parte.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la etapa C) se lleva a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción inicializados en la etapa A)
para obtener coeficientes (\omega_{i}) de predicción adaptados
y en el que la etapa E) se lleva a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción adaptados.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o
2, en el que las etapas A)-E) se repiten
intermitentemente en momentos predeterminados para codificar
secciones sucesivas de la señal de información.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que los momentos predeterminados regresan cíclicamente en un
intervalo de tiempo predeterminado.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa D) se lleva a cabo
después de transcurrir una duración predeterminada después de la
etapa B).
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que a partir de las etapas C) y
E) se obtienen diferencias entre valores de información de la señal
de información y valores predichos que representan una versión
codificada de la señal de información.
7. Dispositivo para codificar de manera
predictiva una señal de información que incluye una secuencia de
valores de información, que comprende:
medios (16, 18) para ejecutar un algoritmo de
predicción adaptativo cuyos coeficientes (\omegai) de predicción
pueden inicializarse y que puede controlarse mediante un parámetro
(\lambda) de velocidad para operar con una primera velocidad de
adaptación y una primera precisión de adaptación en caso de que el
parámetro (\lambda) de velocidad presente un primer valor y para
operar con una segunda velocidad de adaptación menor comparada con
la primera, y una segunda precisión de adaptación mayor comparada
con la primera, en caso de que el parámetro (\lambda) de
velocidad presente un segundo valor; y
medios (20) de control acoplados a los medios
para llevar ejecutar el algoritmo de predicción adaptativo,
caracterizado porque contiene medios que son eficaces para
provocar
- A)
- una inicialización (40) de los coeficientes (\omegai) de predicción;
- B)
- un control (42) del algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al primer valor;
- C)
- una codificación (44) de valores de información sucesivos de la señal de información mediante el algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al primer valor, mientras que la duración predeterminada después del control B) no haya transcurrido para codificar una primera parte de la señal de información;
- D)
- después de transcurrir la duración predeterminada después del control B), un control (50) del algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al segundo valor; y
- E)
- una codificación (44) de valores de información de la señal de información después de los valores de información codificados en la codificación C) mediante el algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al segundo valor para codificar una segunda parte de la señal de información después de la primera parte.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el
que los medios (20) de control se forman para ocasionar que la
codificación C) se lleve a cabo utilizando con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción inicializados en A) para
obtener coeficientes (\omega_{i}) de predicción adaptados y que
la codificación E) se lleve a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción adaptados.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
6 a 8, en el que los medios (20) de control se forman para
ocasionar que las etapas A)-E) se repitan
intermitentemente en momentos predeterminados para codificar
secciones sucesivas de la señal de información.
10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el
los medios (20) de control se forman de manera que los momentos
predeterminados regresan cíclicamente en un intervalo de tiempo
predeterminado.
11. Dispositivo según la reivindicación 9 ó 10,
en el que los medios (20) de control se forman de tal manera que la
etapa D) se lleva a cabo después de transcurrir una cierta duración
después de la etapa B).
12. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 7 a 11, en el que los medios para llevar a cabo un
algoritmo de predicción adaptativo se forman para obtener
diferencias entre valores de información de la señal de información
y valores predichos que representan una versión codificada de la
señal de información.
13. Procedimiento para decodificar una señal de
información codificada de manera predictiva que incluye una
secuencia de valores de diferencia por medio de un algoritmo de
predicción adaptativo cuyos coeficientes (\omegai) de predicción
pueden inicializarse y que puede controlarse mediante un parámetro
(\lambda) de velocidad para operar con una primera velocidad de
adaptación y una primera precisión de adaptación en caso de que el
parámetro (\lambda) de velocidad presente un primer valor y para
operar con una segunda velocidad de adaptación menor comparada con
la primera, y una segunda precisión de adaptación mayor comparada
con la primera, en caso de que el parámetro (\lambda) de
velocidad presente un segundo valor, caracterizado por las
etapas siguientes:
- F)
- inicializar (90) los coeficientes (\omegai) de predicción;
- G)
- controlar (92) el algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al primer valor;
- H)
- decodificar (94) valores de diferencia sucesivos de la señal de información codificada de manera predictiva mediante el algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al primer valor, mientras que una duración predeterminada después de la etapa G) no haya transcurrido para decodificar una primera parte de la señal de información codificada de manera predictiva;
- I)
- después de transcurrir la duración predeterminada después de la etapa G), controlar (100) el algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al segundo valor; y
- J)
- decodificar (94) valores de diferencia de la señal de información codificada de manera predictiva después de los valores de diferencia decodificados en la etapa H) mediante l algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al segundo valor para decodificar una segunda parte de la señal de información codificada de manera predictiva.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en
el que la etapa H) se lleva a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción inicializados en la etapa F)
para obtener coeficientes (\omega_{i}) de predicción adaptados
y en el que la etapa J) se lleva a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción adaptados.
15. Procedimiento según las reivindicaciones 13
ó 14, en el que las etapas F)-J) se repiten
intermitentemente en momentos predeterminados para decodificar
secciones sucesivas de la señal de información codificada de manera
predictiva.
16. Procedimiento según la reivindicación 15, en
el que los momentos predeterminados regresan cíclicamente en un
intervalo de tiempo predeterminado.
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 13 a 16, en el que la etapa I) se lleva a cabo
después de haber transcurrido una duración predeterminada después
de la etapa G).
\newpage
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 13 a 17, en el que las etapas H) y J) incluyen
sumar las diferencias en la señal de información codificada de
manera predictiva y los valores predichos.
19. Dispositivo para decodificar una señal de
información codificada de manera predictiva que incluye una
secuencia de valores de diferencia, con:
medios (16, 18) para llevar a cabo un algoritmo
de predicción adaptativo cuyos coeficientes (\omegai) de
predicción pueden inicializarse y que puede controlarse mediante un
parámetro (\lambda) de velocidad para operar con una primera
velocidad de adaptación y una primera precisión de adaptación en
caso de que el parámetro (\lambda) de velocidad presente un
primer valor y para operar con una segunda velocidad de adaptación
menor comparada con la primera, y una segunda precisión de
adaptación mayor comparada con la primera, en caso de que el
parámetro (\lambda) de velocidad presenta un segundo valor; y
medios (20) de control acoplados a los medios
para ejecutar el algoritmo de predicción adaptativo,
caracterizado porque comprende medios que son efectivos para
provocar:
- F)
- una inicialización (40) de los coeficientes (\omegai) de predicción;
- G)
- un control (42) del algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al primer valor;
- H)
- una decodificación (44) de valores de diferencia sucesivos de la señal de información codificada de manera predictiva mediante el algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al primer valor, mientras que una duración predeterminada después de la etapa G) no haya transcurrido para decodificar una primera parte de la señal de información codificada de manera predictiva;
- I)
- después de transcurrir la duración predeterminada después del control G), un control (50) del algoritmo de predicción adaptativo para ajustar el parámetro (\lambda) de velocidad al segundo valor; y
- J)
- una decodificación (44) de valores de diferencia de la señal de información codificada de manera predictiva después de los valores de diferencia decodificados en la decodificación H) mediante el algoritmo de predicción adaptativo con el parámetro (\lambda) de velocidad ajustado al segundo valor para decodificar una segunda parte de la señal de información codificada de manera predictiva.
20. Dispositivo según la reivindicación 19, en
el que los medios (20) de control se forman para ocasionar que la
codificación H) se lleve a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción inicializados en F) para
obtener coeficientes (\omega_{i}) de predicción adaptados y que
la codificación J) se lleve a cabo con la adaptación de los
coeficientes (\omegai) de predicción adaptados.
21. Dispositivo según las reivindicaciones 19 o
20, en el que los medios (20) de control se forman para ocasionar
que las etapas F)-J) se repitan intermitentemente en
momentos predeterminados para decodificar secciones sucesivas de la
señal de información codificada de manera predictiva.
22. Dispositivo según la reivindicación 21, en
el que los medios (20) de control se forman de manera que los
momentos predeterminados regresan cíclicamente en un intervalo de
tiempo predeterminado.
23. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 19 a 22, en el que los medios (20) de control se
forman de tal manera que la etapa I) se lleva a cabo después de
haber transcurrido una duración predeterminada después de la etapa
G).
24. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 19 a 23, en el que los medios para llevar a cabo un
algoritmo de predicción adaptativo incluyen medios para sumar
diferencias en la señal de información codificada de manera
predictiva y los valores predichos.
25. Programa informático con un código de
programa para llevar a cabo el procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6 o según una de las reivindicaciones 13 a 18
cuando el programa informático opera en un ordenador.
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