ES2922155T3 - Codificación y decodificación de señales de audio - Google Patents
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Abstract
Un códec de audio adecuado para una transmisión inalámbrica robusta de audio de alta calidad con baja latencia, aún a una velocidad de bits moderada. Los métodos de codificación y decodificación se basan en ADPCM y, además de los bits de salida codificados, APM, se incluyen datos adicionales QB en los bloques de datos de salida, a saber, los datos QB que representan un valor interno de la cuantificación adaptativa ADQ del algoritmo de codificación ADPCM, especialmente una escala de escala. Factor codificado y truncado a 8 bits. Además, los bloques de datos de salida preferiblemente incluyen CFB de datos que representa un valor interno del predictor PR del algoritmo de codificación ADPCM, especialmente los datos de datos de datos que representan coeficientes de un filtro FIR de predicción de red que, truncado a 8 bits, se puede incluir secuencialmente en datos de salida de salida de salida de salida de salida de salida de salida de salida de salida de salida en salida de salida. bloques. Estos datos adicionales QB, CFB con respecto a los valores internos del algoritmo de codificación ADPCM, se pueden utilizar en el lado del codificador para aumentar la robustez contra la pérdida de bloques de datos en la transmisión inalámbrica. Especialmente, el algoritmo de decodificación puede comprender la comparación de sus valores de decodificación ADPCM internos actuales correspondientes a los valores internos recibidos QB, CFB del codificador, y en caso de que haya una diferencia, el decodificador puede adaptar o sobrescribir sus valores internos a los QB recibidos, los recibidos. CFB. Esto ayuda a garantizar una recuperación rápida después de los bloqueos de datos perdidos, asegurando así la robustez contra los artefactos en la señal reconstruida, p. clics en caso de audio. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Codificación y decodificación de señales de audio
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de la transmisión de audio y los códecs de audio. Especialmente, la invención se refiere al campo de la transmisión inalámbrica de señales de audio digital de alta calidad con baja latencia y alta inmunidad contra la pérdida de paquetes, tales como las señales de audio de micrófonos e instrumentos musicales en una actuación en vivo.
Antecedentes de la invención
Las aplicaciones de audio bidireccional en tiempo real, como auriculares, micrófonos y monitores, generalmente requieren un sistema de comunicaciones con una latencia mínima. Cuando se desea una transmisión digital con una tasa de bits limitada, por ejemplo para transmisión inalámbrica, las restricciones en los esquemas de codificación de audio son estrictas. Para tales aplicaciones, los esquemas de codificación muestra por muestra basados en modulación de código de pulso diferencial adaptativo (ADPCM) proporcionan una baja latencia atractiva. Sin embargo, los sistemas de transmisión inalámbrica están sujetos a errores de transmisión y pérdida de datos. El esquema de codificación de audio tiene que manejar tales eventos de manera adecuada y minimizar las perturbaciones tanto como sea posible.
Actualmente, es una práctica habitual aceptar una latencia más larga por los algoritmos de compresión utilizados. Usar menos compresión, es decir, más bits por muestra, para obtener una calidad bastante pobre, es decir, menos SNR a una tasa de bits dada, y aceptar más artefactos causados por la pérdida de paquetes. SHETTY y otros en: "Mejora de la robustez del códec de voz de banda ancha G.722 para las pérdidas de paquetes para Voice Over Wlans", ICASSP 2006 da a conocer un decodificador que, antes de decodificar una trama en un paquete recibido correctamente después de una pérdida, actualiza el estado del decodificador ADPCM de subbanda inferior utilizando información adicional disponible en el mismo paquete.
Compendio de la invención
Por lo tanto, de acuerdo con la descripción anterior, es un objeto de la presente invención proporcionar un método mejorado para decodificar que sea robusto contra la transmisión imperfecta, como en la transmisión inalámbrica, y que tenga una baja latencia.
De acuerdo con la invención, se proporciona un método para decodificar como se establece en la reivindicación 1, un dispositivo decodificador como se establece en la reivindicación 5 y un producto de programa informático como se establece en la reivindicación 7. Las realizaciones preferidas se exponen en las reivindicaciones dependientes. Breve descripción de las figuras
La invención se describirá ahora con más detalle con respecto a las figuras adjuntas de las cuales
La figura 1 ilustra un diagrama de bloques simple de una realización del método de codificación que no está cubierta por la invención reivindicada.
La figura 2 ilustra una realización de algoritmo de codificación que no está cubierta por la invención reivindicada. La figura 3 ilustra una realización del algoritmo de decodificación.
La figura 4 ilustra un ejemplo de un formato de bloque de datos digital,
La figura 5 ilustra los pasos de una realización de transmisión inalámbrica de señales de audio que no está cubierta por la invención reivindicada.
Las figuras ilustran formas específicas de implementar la presente invención y no deben interpretarse como limitantes de otras posibles realizaciones que caen dentro del alcance del conjunto de reivindicaciones adjunto.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 muestra un diagrama de bloques que ilustra de forma sencilla la realización del método de codificación ADPCM para codificar una señal de entrada digital A_I, por ejemplo una señal de audio digital, que no está cubierta por la invención reivindicada.
Se aplica un bloque de tiempo de la señal de entrada digital A_I a un algoritmo de codificación ADPCM de modulación de código de pulso diferencial adaptativo que implica cuantificación adaptativa ADQ según un cuantificador y una predicción PR según un predictor. En respuesta, se generan bits de datos ADPCM APM, permitiendo estos bits de datos APM que un decodificador decodifique los bits de datos APM y genere en respuesta una réplica de la señal de entrada digital. Además, el método de codificación comprende generar al menos un bit de datos QB que representa un valor interno de la cuantificación adaptativa ADQ. Aún más, el método de codificación comprende generar al menos
un bit de datos CFB que representa un valor interno de la predicción PR del algoritmo ADPCM.
Por lo tanto, se generan los bits de datos adicionales QB, CFB, que representan valores internos del algoritmo de codificación, además de los propios bits de datos ADPCM APM, y todos estos datos QB, CFB, APM se incluyen en un bloque de datos digitales (cuadro discontinuo) a los que luego se les da salida, por ejemplo hacia un transmisor inalámbrico de radiofrecuencia que transmite el bloque de datos a un decodificador.
Estos bits de datos adicionales QB, CFB que representan valores internos del algoritmo de codificación permiten que el decodificador se adapte mejor a los errores de transmisión o pérdida de bloques de datos utilizando los últimos valores internos recibidos como la mejor estimación de los valores internos correspondientes en la cuantificación adaptativa respectiva y predicción en el algoritmo de decodificación. De este modo, la señal de entrada digital A_I puede reproducirse en el lado del decodificador con menos artefactos en caso de errores de transmisión y/o pérdida de bloques de datos.
Por lo tanto, tal esquema de codificación/decodificación ADPCM proporciona una baja tasa de bits que han de ser transportados por el sistema de transmisión digital, y todavía es posible que el decodificador reconstruya la señal de entrada de manera robusta sin artefactos severos cuando se transmite a través de un sistema de transmisión inalámbrico imperfecto.
La figura 2 muestra una realización de codificador específica que no está cubierta por la invención reivindicada, que tiene cuatro componentes principales: un cuantificador adaptativo, un cuantificador inverso adaptativo, un predictor y un filtro de conformación de ruido. El codificador específico es adecuado para codificar señales de entrada de audio digital de alta calidad A_I, por ejemplo 24 bits a una frecuencia de muestreo de 48 kHz. Sin embargo, debe entenderse que el diseño también puede usarse para otras señales de entrada.
El cuantificador adaptativo genera la diferencia entre la señal de entrada del codificador y la salida del predictor LPR. Esta diferencia se cuantifica en el cuantificador Q y se reduce a una tasa de bits más baja para la transferencia en el sistema de transmisión, es decir, los bits de datos ADPCM APM. Los mismos datos de tasa de bits baja también se alimentan al cuantificador inverso adaptativo, un libro de códigos descuantificado DQ. La salida del cuantificador inverso se retroalimenta y se suma a la salida del predictor. La suma de estas dos señales constituye una reconstrucción de la señal de entrada, que se alimenta al predictor para el procesamiento de la siguiente señal de entrada. El cuantificador adaptativo y el cuantificador inverso adaptativo tienen un valor de escala adaptativo y un libro de códigos DQ para búsqueda y cuantificación. El valor de escala adaptativo es una estimación filtrada de la envolvente de salida del cuantificador inverso, es decir, una salida de un estimador de envolvente EE. Se pueden usar diferentes tamaños de DQ de libro de códigos dependiendo de la tasa de bits de codificación y la calidad requeridas. El libro de códigos tiene preferiblemente de 2 a 16 entradas, correspondientes a diferentes relaciones de codificación de muestras de audio en 1 a 4 bits.
Aparte de los bits de datos ADPCM APM, el factor de escala de cuantificación inversa adaptativa usado en la cuantificación adaptativa, es decir, la salida del estimador de envolvente EE, se codifica mediante un codificador L2 usando un log2 y se trunca aún más. Este factor de escala QB codificado y truncado de la parte de cuantificación adaptativa del algoritmo de codificación ADPCM se envía luego al flujo de salida junto con los bits de datos ADPCM APM, por ejemplo en una parte de cabecera de un bloque de datos. Este QB de datos internos puede ser de 4-16 bits y, por ejemplo 8 bits han resultado adecuado para señales de audio de alta calidad.
El predictor comprende un filtro adaptativo LPR de tipo retícula FIR que modela la parte determinista de la señal de audio. El filtro FIR LPR puede tener, por ejemplo 2-40 toques, como 8-20 toques, en una realización específica tiene 13 toques. El filtro FIR LPR puede implementarse con fuga progresiva del toque. La adaptación se realiza mediante el uso del algoritmo GAL Gradient Adaptive Lattice. La salida del predictor se retroalimenta y se resta de la entrada al cuantificador adaptativo. Por lo tanto, idealmente, la salida de tasa de bits baja del cuantificador adaptativo solo contiene la parte no determinista de la señal de audio. La diferencia entre la señal de entrada y la señal reconstruida es el error de codificación introducido por el esquema de codificación.
Cuando el filtro predictor LPR se haya adaptado a la señal de audio, el error de codificación será casi un ruido blanco. Este error de codificación se retroalimenta a la entrada del codificador mediante un filtro adicional para la conformación espectral del ruido de codificación con el fin de reducir la audibilidad. Este, llamado filtro de conformación de ruido tiene una parte estática H_s y una parte adaptativa H_a. El filtro estático H_s cambia la potencia del ruido de la parte inferior a la parte superior del espectro y el filtro adaptativo H_a da forma al espectro del ruido para que sea similar al espectro de la señal de entrada. Los coeficientes de filtro en la parte adaptativa H_a de este filtro de conformación de ruido se derivan del filtro predictivo adaptativo LPR, que representa el espectro de la señal de audio reconstruida.
Además del valor interno adicional QB de la parte de cuantificación adaptativa del algoritmo de codificación ADPCM, se incluyen otros datos internos en el flujo de datos del codificador, a saber, datos CFB que representan los coeficientes de filtro FIR del filtro de predicción LPR. Para limitar el ancho de banda requerido para estos datos, los coeficientes se truncan Tr y pueden transferirse secuencialmente, por ejemplo un coeficiente por bloque de datos, transfiriendo así los coeficientes del filtro FIR de forma multiplexada, asegurando que un filtro de longitud X pueda ser transferido completamente por medio de X o más bloques de datos consecutivos. Así, en la realización de codificación
específica que no está cubierta por la invención reivindicada, un bloque de datos incluye el valor interno QB de la cuantificación adaptativa, así como un coeficiente FIR CFB del filtro LPR de FIR de predicción reticular. Los coeficientes normalmente se truncan Tr a los 4-12 bits más significativos. Es posible truncar a los 8 bits más significativos para un filtro FIR de retícula tipo LPR sin perder demasiada precisión.
Se agrega una señal débil de difuminado de ruido blanco DN a la señal de entrada A_I antes del procesamiento adicional en el algoritmo de codificación para garantizar un comportamiento lineal y adecuado del codificador, cuando los cálculos del codificador se implementan con precisión finita, tal como la implementación de punto fijo.
La codificación/decodificación se puede configurar y utilizar con diferentes tamaños de paquetes y tasas de sobrecarga. Se pueden obtener diferentes tamaños de libro de códigos para la compresión en 4, 3,6, 3,33, 3, 2,6, 2 o 1,66 bits por muestra.
La figura 3 ilustra un algoritmo de decodificación que coincide con el algoritmo de codificación de la figura 2 y, por lo tanto, está dispuesto para recibir bloques de datos que incluyen los datos QB, CFB y APM del codificador y generar una señal de salida reconstruida A_O en consecuencia. Por supuesto, el decodificador está dispuesto para decodificar los datos QB decodificando E2 (es decir, decodificando exp2) los datos QB para llegar al factor de escala como entrada al estimador de envolvente EE. Además, los coeficientes de filtro FIR individuales se procesan secuencialmente PS como entrada al filtro LPR de FIR de retícula de predicción.
El algoritmo de decodificación comprende un cuantificador inverso adaptativo y un predictor. Los bits APM de tasa baja entrantes se alimentan al cuantificador inverso adaptativo, cuya salida se suma a la salida del predictor de la misma manera que en el codificador. Esta suma constituye la señal de salida reconstruida del decodificador y se alimenta al predictor para decodificar la siguiente muestra de audio.
Como el cuantificador inverso adaptativo en el codificador y en el decodificador están operando en la misma secuencia de APM de datos de baja tasa de bits, generarán la misma señal y el filtro adaptativo predictor LPR en el codificador y decodificador también producirá la misma señal, y la señal y la señal reconstruida en codificador y decodificador será la misma.
Si se asumen las mismas condiciones de inicio y no hay errores de transmisión del codificador al decodificador, todos los estados internos y las señales producidas por el predictor y el cuantificador adaptativo inverso serán los mismos en el codificador y el decodificador. Sin embargo, si el codificador y el decodificador se inician desde diferentes estados, o si se han producido errores de transmisión, el predictor y el cuantificador inverso adaptativo en el codificador y el decodificador no tendrán los mismos estados y no producirán las mismas señales reconstruidas. Debido a la retroalimentación del predictor, las diferencias continuarán para todas las muestras siguientes. Para garantizar que la señal reconstruida en el decodificador converja con la señal correspondiente en el codificador, se agregan fugas en los algoritmos de adaptación tanto en el codificador como en el decodificador. Al cuantificador inverso adaptativo se le agrega un pequeño sesgo hacia un valor de escala común. En el filtro adaptativo predictor, es posible introducir factores de escala menores a 1 en el algoritmo de adaptación GAL. La introducción de fugas reduce la precisión de predicción del predictor y aumenta los errores de codificación y degrada el rendimiento del codificador y decodificador. Una fuga más grande reduce el tiempo después del error de transmisión hasta que la salida del decodificador ha convergido con la señal de entrada del codificador, pero también aumenta el error de codificación. Es deseable el uso de fugas más pequeñas para evitar que se deteriore demasiado la calidad del audio. Sin embargo, una pequeña fuga aumenta el tiempo después de la pérdida de datos hasta que se recupera el audio de salida. Incluso los efectos de cuantificación por implementaciones de longitud de palabra finita pueden causar inestabilidades de ciclo límite y falta de linealidad cuando se utilizan fugas más pequeñas.
Para compensar el uso deseable de pequeñas fugas, se pueden usar los datos adicionales QB, CFB que brindan información sobre estados importantes del cuantificador inverso adaptativo y el filtro adaptativo en el predictor. Los estados importantes son el factor de escala utilizado en el cuantificador inverso adaptativo y los coeficientes de filtro en el filtro LPR de retícula FIR en el predictor. Así, con estos datos codificados en QB y en CFB disponibles en el flujo de datos, es posible reducir la mencionada fuga, aumentando así el rendimiento del códec.
La figura 4 muestra un ejemplo de bloques de datos que se transmitirán a través de un enlace inalámbrico. Cada bloque de datos ADPCM tiene una cabecera que tiene una versión codificada (log2) y truncada de un factor de escala que es un valor interno de la cuantificación adaptativa en el codificador, por ejemplo que tiene una longitud de 8 bits. Además, se agrega un coeficiente Coef[x] del coeficiente de filtro FIR del predictor truncado en la cabecera, por ejemplo truncado a los 8 bits más significativos. Los coeficientes truncados Coef[x] normalmente se agregan secuencialmente, uno para cada bloque de datos. Después de varios bloques de datos, se han transferido todos los coeficientes de filtro truncados, por ejemplo 13. En total, el factor de escala truncado del cuantificador adaptativo, el coeficiente truncado y los datos de baja tasa de bits se envían en bloques o paquetes de datos, que también incluyen información de verificación de integridad, como por ejemplo CRC. El factor de escala del cuantificador adaptativo truncado y la información de los coeficientes representan los valores de los estados antes de que el decodificador procese los datos ADPCM.
Un receptor de datos inalámbrico puede verificar la integridad de los paquetes de datos recibidos. Si hay errores en el
paquete de datos, se ordena al cuantificador inverso adaptativo DQ que produzca una salida cero. En tal caso, la señal de salida reconstruida es la misma que la salida del predictor. Además, la fuga en el predictor puede eliminarse durante el período de datos perdidos para minimizar el efecto del paquete de datos perdido en la salida de decodificación.
Cuando el receptor inalámbrico recibe paquetes de datos sin errores, se presentan al decodificador el factor de escala del cuantificador truncado y los coeficientes de filtro. Si los valores de estado interno del decodificador del valor de escala del cuantificador inverso adaptativo y los coeficientes del filtro predictor difieren más que su resolución definida por el truncamiento, entonces los valores de estado se establecen en los valores indicados por los valores truncados, es decir, en función de los datos QB, CFB, antes de que arranque el proceso de decodificación. Este enfoque garantiza que la cuantificación inversa adaptativa utilice un valor de escala muy cercano al valor utilizado por el codificador cuando se produjeron datos de baja tasa de bits. Esto es importante para evitar clics muy audibles cuando se reciben datos después de una serie de paquetes de datos perdidos, así como para recuperar rápidamente el audio decodificado. Asimismo, la configuración de los coeficientes del filtro predictor garantiza una adaptación más rápida una vez finalizada la pérdida de datos. Por lo tanto, el algoritmo de decodificación comprende comparar sus valores internos actuales con los datos adicionales QB, CFB recibidos coincidentes recibidos, y ajustar sus valores internos, si se detecta una diferencia superior a un umbral predeterminado.
Este enfoque también tiene la ventaja de que, por lo general, no se necesita la funcionalidad adicional para el silenciamiento suave y el enmudecimiento para manejar la pérdida de paquetes de datos.
La figura 5 ilustra los pasos de una realización del método para transferir una señal de audio digital, que no está cubierta por la invención reivindicada. El método comprende recibir la señal de audio digital R_AI. A continuación, la señal de audio se codifica mediante un algoritmo de codificación ADPCM y genera G_APM como resultado bits codificados ADPCM. Además, el método comprende generar bits de datos G_QB indicativos de un valor interno, por ejemplo un valor de escala, de la parte de cuantificación adaptativa del algoritmo de codificación ADPCM. El siguiente paso es transmitir de forma inalámbrica WT_DB un bloque de datos que incluye tanto los bits codificados ADPCM como los bits de datos indicativos del valor interno de la parte de cuantificación adaptativa del algoritmo de codificación ADPCM. A continuación, el bloque de datos es recibido por un receptor inalámbrico WR_DB. En el lado del decodificador, el siguiente paso es ajustar ADJ_ADQ el factor de escala de la cuantificación adaptativa del algoritmo de decodificación ADPCM en respuesta a los bits de datos indicativos de un valor interno, por ejemplo un valor de escala, de la parte de cuantificación adaptativa del algoritmo de codificación ADPCM, si el valor del factor de escala correspondiente actual en el decodificador difiere más de un umbral predeterminado del valor de escala recibido, por ejemplo en caso de pérdida de bloques de datos. Lo siguiente es decodificar DEC_APM los bits de datos ADPCM recibidos para ejecutar el algoritmo de decodificación y generar G_AO una señal de salida de audio en consecuencia.
Aunque la presente invención se ha descrito en relación con las realizaciones especificadas, no debe interpretarse como limitada de ningún modo a los ejemplos presentados. En el contexto de las reivindicaciones, los términos "incluyendo" o "incluye" no excluyen otros posibles elementos o pasos. Además, la mención de referencias como "un" o "uno", etc. no debe interpretarse como excluyente de una pluralidad. El uso de signos de referencia en las reivindicaciones con respecto a los elementos indicados en las figuras tampoco se interpretará como una limitación del alcance de la invención.
Claims (7)
1. Un método para decodificar una señal de audio digital codificada con modulación de código de pulso diferencial adaptativo codificada de acuerdo con un algoritmo de codificación de modulación de código de pulso diferencial adaptativo que implica cuantificación adaptativa (DQ) según un cuantificador (Q) y una predicción (PR) según un predictor (LPR), comprendiendo el método
- recibir (WR_DB) un bloque de datos digitales que comprende al menos un bit de datos (QB) que representa un valor interno de una cuantificación adaptativa (ADQ) involucrada en el algoritmo de codificación de modulación de código de pulso diferencial adaptativo, y bits de datos de modulación de código de pulso diferencial adaptativo (APM),
- ajustar (ADJ_ADQ) un valor interno de la cuantificación adaptativa involucrada en el algoritmo de decodificación de modulación de código de pulso diferencial adaptativo de acuerdo con al menos un bit de datos (QB) recibido que representa el valor interno de la cuantificación adaptativa (ADQ) involucrada en un algoritmo de codificación de modulación de código de pulso diferencial adaptativo, en caso de que se detecte una diferencia de más de un umbral predeterminado entre dicho valor interno y el valor representado por el al menos un bit de datos (QB), y
- generar (G_AO) una señal de salida digital de acuerdo con los bits de datos de modulación de código de pulso diferencial adaptativo (APM) recibidos.
2. El método según la reivindicación 1, que comprende recibir una señal de radiofrecuencia inalámbrica con el bloque de datos digitales representado en ella, y detectar si el bloque de datos se ha recibido con un error.
3. El método según la reivindicación 2, que comprende poner a cero una salida de un cuantificador inverso adaptativo (DQ) implicado en la cuantificación adaptativa, si se detecta que el bloque de datos ha sido recibido con un error.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, que comprende ajustar una fuga en el predictor (LPR), tal como establecer una fuga en cero en el predictor (LPR), si se detecta que el bloque de datos se ha recibido con un error.
5. Un dispositivo decodificador que comprende un decodificador dispuesto para decodificar un bloque de datos digitales recibido de acuerdo con el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-4.
6. Un sistema que comprende
- un dispositivo codificador que comprende un codificador dispuesto para codificar una señal de entrada digital y generar un bloque de datos digital al
- aplicar un algoritmo de codificación de modulación de código de pulso diferencial adaptativo a un bloque de tiempo de la señal de entrada digital, implicando el algoritmo de codificación de modulación de código de pulso diferencial adaptativo cuantificación adaptativa (ADQ) según un cuantificador (Q) y una predicción (PR) según un (LPR) y generar en consecuencia (G_APM) bits de datos de modulación de código de pulso diferencial adaptativo (APM),
- generar (G_QB) al menos un bit de datos (QB) que representa un valor interno de la cuantificación adaptativa (ADQ), y
- generar un bloque de datos digitales que comprende dicho al menos un bit de datos (QB) que representa el valor interno de la cuantificación adaptativa (ADQ), y los bits de datos de modulación de código de pulso diferencial adaptativo (APM),
- un transmisor de radiofrecuencia inalámbrico dispuesto para transmitir una señal de radiofrecuencia que representa el bloque de datos digitales generado por el codificador,
- un receptor de radiofrecuencia inalámbrico dispuesto para recibir la señal de radiofrecuencia que representa el bloque de datos digitales generado por el codificador, y
- un dispositivo decodificador según la reivindicación 5.
7. Un producto de programa informático que tiene instrucciones que, cuando se ejecutan, hacen que un dispositivo informático o un sistema que comprende un procesador realice el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-4.
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