FI113936B

FI113936B - Menetelmä signaalien simultaaniseksi siirtämiseksi N signaalilähteestä

Info

Publication number: FI113936B
Application number: FI942000A
Authority: FI
Inventors: Karl-Heinz Brandenburg; Heinz Gerhaeuser; Dieter Seitzer; Thomas Sporer
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 2004-06-30
Also published as: DE59209456D1; AU666339B2; RU2108001C1; NO941595D0; CA2122577A1; DE4135977A1; CA2122577C; AU2806992A; NO316098B1; EP0610282B1; FI942000A0; EP0610282A1; KR100268517B1; FI942000A; DK0610282T3; JPH07504539A; NO941595L; ATE169791T1; ES2121868T3; DE4135977C2

Description

113936

Menetelmä signaalien simultaaniseksi siirtämiseksi N signaali-lähteestä | Förfarande för simultanisk transmission av signaler frän N signalkällor

Kyseessä oleva keksintö kohdistuu menetelmään signaalien simultaaniseksi siirtämiseksi N: stä signaalilähteestä vastaavan siirtokanavien määrän kautta.

Menetelmät, joissa yksittäiset (aika)signaalit on jaettu lohkoihin ja nämä lohkot on muunnettu transformoimalla tai suodattamalla spektraalisiksi kertoimiksi, jotka puolestaan läpikäyvät tietojenmuokkausmenetelmän tai jotka on vastaavasti koodattu tietojen muokkauksen mukaisesti, ovat tunnettuja.

Tässä yhteydessä viitataan, esimerkinomaisesti, Jörg Houpert'in yleisartikkeliin "Perceptual Audio coding" Studio-Technik: issä tai Stefanie Renner'in artikkeliin "Daten-Diät, Datenreduktion hei digitalisierten Audio-Signalen" Elrad: issa, 1991. Näihin yleisartikkeleihin kuten myös PCT A-dokumenttiin WO 88/01811 viitataan erityisesti minkä tahansa termin ja .* -·. menetelmävaiheen, joita ei tehdä selvemmäksi tässä, selityksen -- yhteydessä.

;Lukuisissa tapauksissa on tarpeellista siirtää signaaleja •’· useammasta signaalilähteestä simultaanisesti vastaavan siirto- ·>· kanavien lukumäärän kautta. Stereosignaalien siirto kahden · siirtokanavan kautta mainitaan yksinkertaisimmaksi esimerkiksi siitä.

Signaalien siirtäminen N signaalilähteestä vastaavan siirto-kanavien lukumäärän kautta tuo esille ongelman siirtokanavien ·;·. mitoittamisessa:

Jos jokainen yksittäinen siirtokanava on mitoitettu sellaisel-.,.· la tavalla, että se siirtää "tulevan bitti-virran maksimin" (saksa: Bit-Strom), vastaavasti suuri siirtokapasiteetti jää .·. : "keskimäärin" käyttämättä.

2 113936

Signaalien siirtämisessä lukuisista signaalilähteistä vastaavan siirtokanavien lukumäärän kautta on digitaalipuhelinteknii-kasta tunnettua suunnitella siirtokanavat vain "keskimääräiseen tarpeeseen" ja tasapainottaa lyhytaikaisesti lisääntynyt tarve yksittäisillä kanavilla toisten kanavien kiintiöosuuksien avulla. Osuudet jaetaan yksinomaan signaalitilastojen mukaisesti.

Tekniikan tason osalta viitataan seuraaviin kirjallisiin lähteisiin: Dr. H. Gerhäuser'in " Ein digitales Sprach- interpolationsverfahren mit prädiktionsgesteuerter Wortauf-teilung" (1980), R. Woitowitc' in "Ein digitales Sprachinter-polationsverfahren mit momentaner Prioritätszuteilung" (1977) ja G. G. Klahnenbucher'in "Ein digitales Sprachinterpolations-verfahren mit blockweiser Prioritätszuteilung" (1978).

Kyseessä olevan keksinnön yksi elementti on se, että havaittiin, että tavallisilla menetelmillä digitaalipuhelintekniikas-sa vaihtelevan tarpeen tasapainottamiseksi lukuisien signaalien siirrossa vastaavan siirtokanavien lukumäärän kautta tulokset eivät ole hyviä, jos siirrettävät digitaaliset signaa-,···. lit läpikäyvät sitä ennen tietojen muokkauksen, esimerkiksi -· niinkutsutun OCF-menetelmän mukaisesti.

t · ' Kyseessä olevan keksinnön tavoitteena on saada aikaan menetel- ··'· mä signaalien simultaaniseksi siirtämiseksi N signaalilähtees- ' ' ' tä vastaavan siirtokanavien lukumäärän kautta, joilla "tieto-muokatut signaalit" voidaan siirtää siirtokanavien kautta, jotka on mitoitettu vain "keskimääräistä tarvetta" varten ilman mitään havaittavaa, s. o. esimerkiksi kuultavissa olevaa ·*· menetystä signaalikapasiteetissa.

Ratkaisu tämän tavoitteen saavuttamiseksi kyseessä olevan kek-• sinnön mukaisesti on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Epä- itsenäiset patenttivaatimukset kohdistuvat keksinnön edelleen-parannuksiin.

3 113936

Kyseessä oleva keksintö perustuu perusajatukselle olla suorittamatta osuuksien jakelua yksittäisille signaaleille tilastollisten näkökohtien mukaisesti tasapainotettaessa vaihtelevia vaatimuksia signaalien simultaanisen siirron aikana N signaali-lähteestä vastaavan siirtokanavien lukumäärän kautta, vaan pikemminkin tasapainottaa vaihteleva tarve tarkoituksenmukaisilla keinoilla jo menetelmän siinä vaiheessa, jossa signaalit koodataan tietojen muokkausta varten.

Tämä perustavaa laatua oleva keksinnöllinen ajatus on selitetty seuraavassa käyttämällä edullista suoritusmuotoa ja viittaamalla liitteenä oleviin piirroksiin, jotka esittävät:

Kuvio 1 lohkokaavio keksinnön mukaisen menetelmän selittämiseksi ja

Kuviot 2a ja 2b keksinnön mukainen signaalirakenne (saksa: Signalaufbau).

Keksinnön mukaisessa menetelmässä yksittäiset signaalit jaetaan lohkoihin ja lohkot muunnetaan transformoimalla tai suo-dattamalla spektraalisiksi kertoimiksi. Vaihtelevan tarpeen > * · tasapainottamiseksi yksittäisiin signaaleihin kuuluvat lohkot ,···. jaetaan osiin ja vastaavat kaikkien signaalien senhetkiset osat käsitellään s i multaani s es ti. Tämä on kuvattu graafisesti kuviossa 1 vastaavilla "toimintalohkoilla".

’ Käytettäessä erityistä havainnointimallia (engl. perception-specific model), joka esimerkiksi kun siirretään audio-signaa-leja, voi olla psyko-akustinen malli, sallittu interferenssi määritellään joka osalle ja siitä lasketaan tarve kyseisellä hetkellä vaadittavalle koko siirtokapasiteetille. Tämä koko siirtokapasiteetin laskeminen, s. o. vaadittu bittien lukumää-rä, tapahtuu kaikissa lohkoissa simultaanisesti. Kaikesta käy-;;; tettävissä olevasta siirtokapasiteetista ja kyseisellä het- kellä vaaditusta kokonaissiirtokapasiteetista lasketaan käytet-tävissä olevan siirtokapasiteetin maksimin osuudet jokaiselle yksittäiselle signaalille. Kun jokaiselle signaalille on jael- 113936 4 tu kulloinenkin "bittien lukumäärä", tapahtuu yksittäisten signaalien koodaaminen ja vastaavasti tämän yksittäisen signaalin siirtäminen. Yksinkertaisimmassa tapauksessa tasapainottaminen tai yhdenmukaistaminen voi tapahtua ainoastaan vastaavalla vaaditulla siirtokapasiteetilla kanavien välillä.

Patenttivaatimuksessa 2 kuvatussa lisäparannuksessa on olemassa siirtokapasiteettireservi, niin kutsuttu bitti-varasto, josta, siinä tapauksessa, että vaadittu kokonaissiirto ylittää keskimäärin käytettävissä olevan siirtokapasiteetin, tapahtuu siirtokapasiteetin osuuden jakelu.

Tämä bitti-varasto täyttyy aina, kun siirtokapasiteetin tarve on pienempi kuin käytettävissä oleva siirtokapasiteetti (patenttivaatimus 3).

Joka tapauksessa on tarpeen, jotta estettäisiin bitti-varaston lisäyksen olemasta liian suuri, jos siirtokapasiteetti on paljon pienempi kuin käytettävissä oleva siirtokapasiteetti, että on olemassa pakotettu bittien jakelu yksittäisille kanaville (patenttivaatimus 4). Tämä pakotettu jakelu tapahtuu : edullisesti vain kanaville tai vastaavasti signaalilähteille, : jotka ovat ilmoittaneet tarpeen, joka on suurempi kuin keski- määräinen tarve. Olennaisesti suurempi tarve kuin keskimäärä! -: nen tarve tarkoittaa erityisesti, että nämä signaalit ovat olennaisesti vaikeampia koodata kuin tavalliset signaalit.

Joka tapauksessa on patenttivaatimuksen 9 mukaisesti edullista, että koko lohko muodostetaan kaikista erikseen koodatuista signaaleista, jotka tulevat signaalilähteistä. Tämä koko lohko koostuu kiinteästä alueesta, joka sisältää tietoa, josta sig-naalien erottaminen voidaan määritellä ja useammista muuttuvam-: · man pituuden omaavista alueista, jotka ottavat vastaan kooda- V tut signaalit. Tämä on esitetty kaaviomaisesti kuviossa 2a.

* ' » *

Lisäsäästöä siirtokapasiteetissa saavutetaan siten, että ident-: tiset sisääntulosignaalit tunnistetaan ja ne siirretään ainoas- k · · 5 113936 taan kerran sopivan siirtomuodon avulla (patenttivaatimus 6). Tämä on esitetty kaaviomaisesti kuviossa 2b.

Joka tapauksessa kyseisellä hetkellä vaadittu siirtokapasiteetti voi olla tarkasti määritetty tai ainoastaan arvioitu (patenttivaatimukset 7 ja 8).

Edelleen, keksinnön mukaista menetelmää voidaan suuressa määrin suorittaa rinnakkain. Tämän tekemiseksi on edullista, jos patenttivaatimuksen 10 mukaisesti yksittäisten signaalien koodaaminen tapahtuu jo siirtokapasiteetin osuuksien jakelun laskemisen aikana kullekin signaalille.

Keksinnön mukaisen periaatteen toinen edullinen toteuttamismuoto on esitetty patenttivaatimuksessa 11:

Mikäli vaadittu siirtokapasiteetti ylittää käytettävissä olevan siirtokapasiteetin eikä voi tapahtua mitään jakelua bitti-varastosta, sallitun interferenssin arvo kaikille signaaleille voidaan nostaa sillä tavoin, että vaadittu kokonaissiirtokapa-siteetti ei ylitä käytettävissä olevaa siirtokapasiteettia (patenttivaatimus 11).

Seuraavassa on esitetty numeerinen esimerkki menettelytavasta '···’ audio-signaaleille. On selvää, että keksinnön mukainen peri-• * *'> aate ei ole rajoitettu vain audio-signaaleille, vaan pikemmin-kin myös video-signaaleja tai muita signaaleja, jotka perustu- • · ; vat erityisesti havaittavaan määräämistapaan, voidaan käsitellä samalla tavalla.

Esimerkki mahdollisesta menettelytavasta audio-signaaleille: Oletetaan, että y(t) ovat audio-signaalien näytearvot.

» 1) Audio-signaali y puretaan tai erotetaan tunnetulla tavalla * · * 'iif: näytearvoiksi (y(t)), jotka digitoidaan. Digitoidut näytearvot i · 1 » · I * · I I » · β 113936 6 puretaan tai hajotetaan 2n-mittaisiin lohkoihin. jotka ovat valitussa suoritusmuodossa limittyviä lohkoja, joilla on ' n-päällekkäi s yys: x(k,b) = y(b*n+k), kun k=o. . 2n (b lohkonumero).

2) Kukin n-pituinen lohko muunnetaan spektraalisiksi kertoimik-si transformoimalla, esimerkiksi nopealla Fourier-muunnoksella tai kosini-muunnoksella: x(j,b) = SUM(1 = 0. . 2n; x(1,b)*f(1)*cos(pi*(21 + 1+n)(2j+1) / (4n)) ), kun j=0..n ja f (1) = sqrt(2)*sin(pi*(l+0. 5)/(2n)) 3) Kukin lohkoista jaetaan osiin ja energiatiheys lasketaan kullekin osalle: E(i, b) = ( SUM(k=a(i ) +1. . a(i + l); X(k,n)2) ) / (a(i + l)-a(i)), kun i=l ... c ja vakiot a(i) on otettu seuraavasta taulukosta 1.

4) Sallittu interferenssi lasketaan kullekin osalle sopivalla ; psyko-akustisella mallilla, jonka osalta viitataan kirjallisuu- ► » . · teen. Rajaus kaistojen välillä saadaan sallitusta interferenssi sistä * * I ί « '* / T(i, b) = MAX(k=l ... i-1; E (k, b) *z (i-k) ) » > ’,· · rajaus kaistalla: s (i, b) = max ( E(i,b) * e(i) , T(i,b) ) ··· ja rajaus lohkojen välillä: =· » •t* ss(i,b) = max ( s(i,b-1)/16 , s(i,b) ) » · * i sen jälkeen tapahtuu vaadittavan bittien lukumäärän laskeminen » : j‘· kullekin lohkolle.

I > , i * 7 113936 5) Vaadittavan bittien lukumäärän laskeminen lohkoa varten: a) koodaamista varten kuten OCF: n tapauksessa (Huffman-koo-daus): P - pO + SUM(i = l. . C; (a(i + l)-a(i) * (s(i, b)/ss (i, b))) b) PCM-koodausta varten (SNR = 6dB/bit):

Skaalauskerroin ja lisäinformaationa bittien lukumäärä per näytearvo siirretään kullekin osalle p = pO + SUM( i = l..c; (a(i + l)) * 10/6 * log (E(i,b)/ss(i,b)) )

Sopivat arvot yksittäisille arvoille, vastaavasti yksittäisille vakioille, annetaan seuraavaksi taulukkojen muodossa: n = 512 c = 23 pO = 1200 OCF:lie (keskimääräinen bittien lukumäärä per lohko) pO = 345 PCM: lie (skaalauskertoimet: 10 bit/osa, kvantisointi- vaiheiden lukumäärän koodaus: 5 bit/osa t i ! TAULUKKO 1 ! t ly>[ i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ·- a(i) 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 46 52 60 70 82 ♦ i 17 18 19 20 21 22 23 24 a(i) 96 114 136 164 198 240 296 372 ,; TAULUKKO 2 » < · i 12 3 4 5 6789 > · ’’ e(i) le-1 le-2 le-3 le-4 le-5 le-6 le-7 le-8 le-9 a(l) ;·, 0, kun i>9 0 I I k 8 113936 TAULUKKO 3 i 1234567 e (i) 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 0.0004 i 8 9 10 11 12 13 14 15 e (i) 0.002 0.002 0.002 0.004 0.01 0.015 0.025 0.04 i 16 17 18 19 20 21 22 23 e (i) 0.06 0.06 0.06 0.08 0.08 0.11 0.14 0.18 Tätä seuraa bittien lukumäärän jakaminen yksittäisille signaaleille. Tätä varten oletetaan, että k(k)-bitit tarvitaan K-sisääntulosignaalien koodaamiseksi, kun käytettävissä on psoll bittien lukumäärä.

psum = Sum((p)k)

Nyt on tarpeen differentioida: 1) Kun psum=psoll

Kukin signaali ottaa vastaan tarvittavan määrän bittejä: z (k) = P(k) 2) Kun psum<psoll

Kukin signaali ottaa vastaan enemmän kuin tarvittavan määrän bittejä: z(k) = (psoll/psum) * p(k) esimerkiksi, K=2, psoll=1600, p(l)=540, p(2)=660 psum=1200 z(l) = 1600/1200 * 540 = 720 (180 bit enemmän) ··.: z(2) = 1600/1200 * 660 = 880 (220 bit enemmän) 3) Kun psoll<psum .···, Kukin signaali ottaa vastaan vähemmän kuin tarvittavan määrän bittejä: 9 113936 a) OCF: lie: z(k) = (psoll/psum) * p(k) b) PCM: lie:

Bittien minimi lukumäärää kullekin signaalille ei saa olla alimitoitettu: z(k) = pO + ( (psoll-K*pO) ) * (p(k)-pO) esimerkiksi, K=2, psoll=1600, pO=500, p(l)=600, p(2)=1200 jolloinka Psum=1800 z (1)=500+(1600-2*500)/( 1800-2*500)*(600-500)=575 (25 bittiä vähemmän) z(2)=500+(1600-2*500)/(1800-2*500)*(1200-500)=1025 (175 bittiä vähemmän)

Sallitun interferenssin korjaamiseksi seuraava differentiointi on tarpeen, jos p bittiä on vaadittu kullekin signaalille, mutta z bittiä jaetaan: 1) Jos jaettu bittien lukumäärä on sama kuin tarvittava lukumäärä: ei vaadita korjausta.

2) Jos enemmän bittejä jaettiin kuin tarvittiin: OCF: lie: ei vaadita korjausta.

PCM: lie: Käytettävissä oleva bittien lukumäärä kvantisointia varten .···. kussakin osassa lisääntyy (z-p)/512 :11a.

3) Jos jaettavien bittien lukumäärä on vähemmän kuin mitä ‘ϋ! tarvitaan: OCF: lie: ss(i,b) = s(i*b) + (z-pO) / (p-oO) * (ss (i, b)-s (i, b))

kun p>pO

ss(i,b) = s(i,b) kun p<=pO

PCM: lie: V Käytettävissä oleva bittien lukumäärä kvantisointia varten kussakin osassa lisääntyy (z-p)/512 :11a.

10 113936

PCM: n tapauksessa vaaditaan bitti per ATW pyöristystä kokonaisluvuksi: tämän tekemiseksi kaikki bitit/ATW

pyöristetään lähimpään pienempään kokonaislukuun ja tuloksena oleva bitti-summa määritetään siitä.

Jos vieläkin on bittejä käytettävissä, yksi bitti/ATW enemmän asetetaan käyttöön ensimmäisessä arviointiajossa kullekin kaistalle alkaen alimmasta kaistasta kunnes käytettävissä oleva bittien lukumäärä on saavutettu.

Esimerkki: Käytettävissä on 104 bittiä

Osa: 12 3 4

Leveys 4 6 8 12

Bittiä/ATW 4. 2 5. 2 3. 4 2. 4 .*·. Pyöristetty: 4 5 3 2 !!! *Leveys 16 30 24 24 ·.· : Vielä jaettavana: 10 bittiä + 1 +1

Lopputulos: 5632 i · * • · · • * 11 113936

Kyseessä oleva keksintö on kuvattu edellä käyttämällä edullisia suoritusmuotoja. On tietenkin olemassa hyvin monia erilaisia mahdollisia muunnelmia koko keksinnöllisen idean piirissä:

Voidaan käyttää kiinteää koko lohkon pituutta käyttäen täyte-bittejä tai voidaan suorittaa vielä lopettamattomien kooderei-den siirtäminen. Edelleen voidaan käyttää muuttuvaa lohkon pituutta, joka määrää maksimi lohkonpituuden ja jossa lisäksi tapahtuu ajan keski arvottaminen.

Claims

12 113936

1. Menetelmä signaalien simultaaniseksi siirtämiseksi N signaalilähteestä vastaavan siirtokanavien määrän kautta, jossa yksittäiset signaalit jaetaan lohkoihin ja mainitut lohkot muunnetaan transformoimalla tai suodattamalla spektraalisiksi kertoimiksi, jotka spektraaliset kertoimet läpikäyvät tietojen-muokkausmenetelmän, tunnettu siitä, että mainittujen yksittäisten signaalien lohkot jaetaan osiin, kaikkien signaalien vastaavat senhetkiset osat käsitellään simultaanisesti, sallittu interferenssi kullekin osalle määritellään käyttämällä hyväksi erityistä havaintoinani a ja lasketaan senhetkinen koko siirtokapasiteetin tarve, käytettävissä olevan maksimi siirtokapasiteetin osuus kullekin yksittäiselle signaalille lasketaan käytettävissä olevasta koko siirtokapasiteetista ja kyseisellä hetkellä vaaditusta koko siirtokapasiteetista ja kukin yksittäinen signaali koodataan ja siirretään siten määritellyllä kapasiteetilla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että on olemassa siirtokapasiteettireservi (bitti-varas-to), josta siirtokapasiteetin jakelu tapahtuu siinä tapaukses- .···. sa, että vaadittu koko siirtokapasiteetti ylittää keskimäärin ···, käytettävissä olevan siirtokapasiteetin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu ·;;; siitä, että mainittua bitti-varastoa täytetään, kun siirtokapa- ' siteetin tarve on pienempi kuin käytettävissä oleva siirtokapasiteetti.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu ··· siitä, että tapahtuu pakotettu jakelu mainitun bitti-varaston estämiseksi kasvamasta liian suuressa määrin, kun siirtokapasiteetin tarve on hyvin paljon pienempi kuin käytettävissä oleva ··*· siirtokapasiteetti. i3 1 13936

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu pakotettu jakelu tapahtuu ainoastaan, jos esiintyy suurempi tarve kuin keskimääräinen tarve.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että identtiset sisääntulosignaalit tunnistetaan ja ne siirretään ainoastaan kerran sopivan siirtomuodon avulla.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kyseisellä hetkellä vaaditun siirtokapasiteetin määrittely tapahtuu tarkasti.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kyseisellä hetkellä vaaditun siirtokapasiteetin määrittely ainoastaan arvioidaan.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koko lohko muodostetaan kaikista, erikseen koodatuista, signaalilähteistä tulevista signaaleista, mainitun koko lohkon koostuessa kiinteästä osasta, joka sisältää tietoa, josta mainittujen yksittäisten signaalien separoin-ti voidaan määritellä, ja useammista muuttuvan pituuden omaa-vista alueista.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen menetelmä, t u n -n e t t u siitä, että mainittujen yksittäisten signaalien • / mainittu koodaaminen tapahtuu jo siirtokapasiteetin osuuden •••j kullekin signaalille laskemisen aikana.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kun tarvittava bittien määrä ylittää käytettävissä olevan koko bittien määrän, sallittua inter- ··· ferenssiä kaikille signaalilähteille lisätään niin, että saavu-tetaan pienentynyt bitti-tarve. 14 113936