IT8319275A1 - Codificatore per convertire un segnale lineare di ingresso in un segnale di uscita pcm differenziale quantizzato - Google Patents
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Description
" CODIFICATORE PER CONVERTIRE UN SEGNALE LINEARE DI INGRESSO IN UN SEGNALE DI USCITA PCM DIFFEREN ZIALE QUANTIZZATO
RIASSUNTO
Un codificatore ADPCM ( 100) converte un segnale di ingresso PCM lineare rappresentativo di dati vocali o entro la banda vocale codificati in PCM in un segnale di uscita PCM diff erenziale a n-bit quantizzato . Campioni del segnale di ingresso in PCM sono forniti ad un circuito di diffje renza ( 11 ) assieme ad una valu tazione di segnale del medesi_ mo ottenuta da un elemento di previsione adattativo ( 1 2) ? Il segnale di differenza risultante viene accoppiato all * Ingres so di un quantizzatore a bloccaggio dinami co (DLQ) , Una versione quan ti zzata del segnale di differenza viene fornita dall?uscita di detto quanti zzatore ad un somma tore algebrico ( 17) ove essa viene sommata algebricamente con la valutazione del segnale. Il risultato di questa somma viene accoppiato all ?ingresso dell ?elemento di previsione adattativo, che, in risposta a ci?, serve per generare la successiva valutazione di segnale per la comparazione col campione PCM successivo? Il quantizzatore adattativo ha due velocit? di adattamento e cio? una elevata velocit? di adattamento quando il segnale PCM lineare di ingresso rappresenta parlato e una velocit? estremamente bassa ( pressoch? costan te) per dati di banda vocale codificati in PCM o segnali di tono.
Il funzionamento del decodificatore (101) ? essenzial mente l?inverso di quello del codificatore, e similmente ha due velocit? di adattamento (figura 1).
DESCRI ZIONE
La presente invenzione riguarda la quantizzazione e la previsione adattative in codificazione PCM.differenziale, di segnali vocali e segnali di dati nella Landa vocale?
Negli ultimi svariati anni si ? avuta, e continua ad esservi, una grandissima attivit? nel campo di una efficiente codificazione dei segnali vocali o del parlato? Un gran nume ro di algoritmi di codificazione digitale vengono analizzati relativamente ad un?ampia variet? di applicazioni? Per una rete telefonica digitale in evoluzione, una applicazione sommamente importante ? la possiLile sostituzione del segnale PCM a 64000 Lit al secondo (bps) (8 Lit per intervallo di tempo, ripetuti con una frequenza di 8 kHz) per la telefonia, sia nelle reti a linee a commutazione pubblica che nelle linee private. La ragione, naturalmente, ? quella di ottenere compressione della larghezza di banda? Tale dilemma si pre^
senta facilmente ai progettisti telefonici, ma non ? altrei; tanto facile rispondere alla domanda: '?nel caso tale rete abbia ad evolversi verso un algoritmo di codificazione pi? efficiente del PCM a 64 kb/s, quale algoritmo ? preferibile?. In precedenza sono stati proposti una pluralit? di algoritmi di codificazione digitali diversi e tecniche relative e cio?: PCM Differenziale ?dattativo o (ADPCM), Codificazione di Subbanda o (SBC); Scalatura delle Armoniche nel Dominio Tempora le o (TDHS); Codificazione a Trasformata Adattativa (ATC), pilotata da codificatore vocale, e cos? via.
Per una miscela realistica di dati vocali di ingresso e dati entro la banda vocale, la soluzione ADPCM sembra essere la pi? promettente? la codificazione PCM differenziale a? dattativa ? descritta, ad esempio, nell?articolo di CummLskey-Jayant-Flanagan (CJP) intitolato "Adaptive Quantization in Differential PCM Coding of Speech", Bell System Technical Journal, Voi. 52, No? 7, Settembre 1973, pp? 1105-1118. Il comportamento dell?algoritmo CJF-ADPCM ? stato ben stabilito in studi precedenti (W? R. Daumer, J. R. Cavanaugh, "A Subjective Comparison of Selected Digital Codecs for Speech", Bell System Technical Journal, Voi? 57, No? 9, Novembre 1978, pp.3119-3165), e pu? essere consideratounaprova di confronto,poich?una codificazione singola con questo codificatore a 32 kb/s,(?all?incirca soggettivamente equivalente a 64 kb/s x 255 PCM.
Tuttavia, ci? non ? altrettanto valido in una situazione codificazione in serie o tandem (si veda il summenzionato ar ticolo di Daumer-Cavanaugh) e non sar? in grado di trattare dati entro la banda vocale di velocit? pi-.? elevata (ad esempio 48?? bps) in una rete analoglca/digltale mista realistica?
Nella presente invenzione, un campione di ingresso rappresentante, ad esempio, dati vocali o di banda di base ? fornito ad un sommatore dove da esso viene sottratto un segna le previsto? Per scopi illustrativi, si supporr? che il campione di ingresso abbia ad essere un campione -PCM linere a pi? bit (ad esempio 13-16 bit)? Tuttavia, il campione di ingresso potrebbe alternativamente essere un campione modulato nell?ampiezza degli impulsi (PAM)? Il segnale previsto o predeterminato ? una valutazione di detto campione di ingresso, ottenuta da un elemento di previsione adattati??? Il segnale di differenza risultante viene,accoppiato all?ingresso del quantizza tore a bloccaggio dinamico secondo l?invenzione? U na versione quantizzata del segnale differenza viene fornita dall?uscita di detto quantizzatore ad un altro sommatore, in cui essa viene sommata con il segnale previsto? Il risultato di quest?ultima somma viene accoppiato all?ingresso dell?elemento di precisione adattativo .che, in risposta a ci?, opera per generare il segnale previsto successivo per la com paraz?one col successivo campione di ingresso? Il quantiz-. zatore dell?invenzione ? un quantizzatore adattativo che ha due velocit? di adattamento, e cio? una elevata vel ftt di dattamento quando il segnale PCM lineare di ingresso rappresenta parlato e una velocit? di adattamento estremamente bassa (pressoch? costante) per dati vocali codificati in PCM o segnali di toni.
Ciascuna delle funzioni precedentemente descritte pu? essere attuata digitalmente, e perci? un CODEC (codificatore-decodificatore) realizzato secondo la presente inven zione pu? essere facilmente attuato sotto forma di circuito integrato oppure^ alternativamente, tramite lf impi ego di un processore di segnali digitali?
Nei disegni:
la figura 1 ? uno schema a blocchi di massima semplificato di un CODEC (codificatore-decodificatore)?DPCM secondo la presente invenzione;
la figura 2 ? uno schema a blocchi di massima del blocco o dei blocchi di adattamento-Q di figura 1 ;
la figura 3 ? uno schema a blocchi di massima del blocco decisionale di bloccaggio/sbloccaggio della figura 2;
la figura 4 ? uno schema di massima dell ? elemento o degli elementi di previsione adattati va di figura 1 ;
la figura 5 ? un diagramma di flusso il quale e descrittivo del funzionamento del codifi catore ADPCM secondo l?invenzione;
la figura 6 ? un diagramma di flusso che ? descritti vo del funzionamento del decodifi catore ADPCM secondo l'in venzione?
Facendo ora riferimento alla figura 1 dei disegni , un codificatore ADPCM 100, secondo l'invenzione, riceve campioni PCM lineari di ingresso e codifica i medesimi in un segnale PCM differenzi ale a n-bit per la trasmissione al decodifi catore ADPCM 101 sull'apparecchiatura di trasmissione 102? Per scopi illustrativi , si supporr? di avere un segnale PCM differenziale a quattro "bit (n=4) ? Questo segnale differenziale a quattro bit, assi eme con l'algoritmo di codificazione in ADPCM della Richiedente, fornisce una forte trasmissione, molto affidabile, sia per segnali vocali che per segnali di dati di banda vocale di velocit? superiore (ad esempio 4800 bps) , come pure, naturalmente , per dati e segnali di tono di velocit? pi? bassa? Tuttavia, si deve tener presente che l?invenzione non ? in nessun modo limitata a tale trasmissione differenziale a quattro bit , e n potrebbe essere un qualsiasi altro numero, ad esempio n=2, n=3 , n=5, ecc. Se i campioni lineari di ingresso fossero sempre rappresentativi di segnali vocali codificati , allora un segnale in PCM dif ferenziale a 2 bit ( cio? n=x2 ) si rivelerebbe adeguato per mol te applicazioni ? Gli s campioni in PCM lineari a pi? bit (ad esempio 13 ? 16 bit) sono forniti ad un sommatore algebrico o circuito di differenza 1 1 ? Come si ? precedentemente menzionato , i campioni s potrebbero essere pure campioni PAM . I campioni PCM lineari possono derivare dalla codifica zione diretta di un segnale vocale di ingresso o dati nella banda vocale in PCM lineare. Alternativamente, il segnale c? dificato con legge- ? a 8 bit pu? dapprima essere convertito nella sua controparte lineare a pi? bit? Naturalmente, altri segnali non uniformi come ad esempio un segnale s? condo la legge-A possono pure essere stati dapprima converti/ ti nella loro controparte PCM lineare. Queste conversioni s? no note nella tecnica, e non costituiscono parte della presente invenzione.
Un elemento di previsione adattativo 12, che sar? d? scritto dettagliatamente in seguito, fornisce un segnale pr? visto o predeterminato sg che ? una previsione o valutazione del campione s. Questo segnale di previsione s viene invertito in un invertitore 13 e fornito all?altro ingresso del circuito sommatore 11. Come indicato dal nome stesso, quest?ultimo circuito fornisce sulla sua uscita un segnale di differenza d che ? la somma algerbica dei due ingressi ad esso. Il segnale di differenza d viene accoppiato all?ingresso del quantizzatore a bloccaggio dinamico (DLQ) secondo l*invenzi? ne. Il DLQ comprende un quantizzatore 14 non uniforme,a 16 li velli (per n=4), avente fattore di scala ? ? Come risulter? chiaro agli esperti del ramo, il quantizzatore 14 non solo fornisce la desiderata quantizzazione, ma esso serve pure per codificare in PCM il segnale di ingresso; la quantizzazione e la codificazione sono attuate in una sola e medesima operazione (si veda qualsiasi testo di trasmissione digitale stan dard). Il segnale I di uscita a 4 "bit rappresenta la forma quantizzata e codificata in PCM del campione differenza d.
lf uscita in PCM a 4 bit viene fornita al quanti zzatore inverso Q 1 , indicato da 15, il quale, come il nome ste? so indica, esegue una operazione che ? essenzialmente l?inverso dell?operazione del blocco 14? In altre parole, il quan tizzatore inverso 15 riceve il segnale I in PCM differenziale a 4 bit e fornisce sulla sua uscita il segnale d ? Questo segnale d^ e la versione quantizzata del segnale di differen za d. Il segnale d^ ? accoppiato all?ingresso del circui to di adattamento Q, 1 6, e al sommatore 17? L?uscita s dell ' elemen? to di previsione adattati vo 12 ? piare collegata ad un ingresso del sommatore 1 7. Il sommatore 1 7 serve per sommare que sti due segnali di ingresso in maniera da fornire, sulla sua usci ta, il segnale ricostruito r, che ? una rigorosa versione quanti zzata del segnale di ingresso s. Il campione di segnale r viene. fornito all? elemento di previsione adattativo 12 il quale, in risposta ad esso, serve per generare il segnale pr^ visto successivo per la comparazione col successivo campione PCM linerae? L ?elemento di previsione adattativo 12 impiega il campione r e qualche campione precedente per arrivare ad una previsione s , che ? la somma pesata di m campioni di ingresso (ad esempio m=4) ?
Il ci rcuito di adattamento Q, 16, riceve il se di differenza quantizzato d e l 'uscita I a 4 "bit e serve per sviluppare da esso il fattore di scala adattativo A ?.Questo fattore di scala ? ? quindi fornito al quantizzatore 14 e al quantizzatore inverso 15? Il fattore di scala adattativo ? serve per proporzionare le caratteristiche Q e Q ^ per adattare la potenza del segnale di differenza di ingresso d. Il circuito di adattamento Q secondo l'invenzione controlla la velocit? di adattamento del fattore di scala A ? una elevata velocit? di adattamento e prevista quando il segnale PCM lineare di ingresso rappresenta parlato, con una 'bassissima velocit? di adattamento (pressoch? costante) per dati o toni entro la banda locale codificati in PCM di ingresso.
Il segnale PCM differenziale a 4 bit viene trasmesso, in un tipico modo multipiato a divisione di tempo, sulla appareechia tura di trasmissione digitale 102 ed ? fornito all 'ingresso del quanti zzatore inverso Q indicato da 115. Questo segnale di ingresso ? indicato con I' , l 'apice indi cando che esso , ? prossimo al e? inoltre probabilmente non i_ denti co al segnale I a causa di errori di trasmi ssione .
Analogamente, gli altri simboli letterali impiegati nel decodificatore 101 sono contrassegnati da apici per indicare che essi sono vicini ma probabilmente non identici ai simboli analogamente contrasse gi? ti o segnali del codifi ? catore 100. Il quantizzatore Q 115 ? identico IO aritiz zat?re Q ^ 15 ed esso serve per fornire sulla sua uscita il segnale quantizzato d '. Nuovamente, come in precedenza, d 4 , rappresenta la versione quantizzata del segnale di differen? za d, l'apice indicando una possibile variazione da esso a causa di errori di trasmissione*
Il segnale quantizzato d *viene accoppiato .all'ingresso del circuito di adattamento Q, 116 e del sommatore 117? Il segnale PCM differenziale di ingresso I' ? pure accoppiato all'ingresso del circuito di dattamento Q, 116; questo circuito ? identico al circuitodi adattamento Q, 16, del codificatore (_100). L'uscita del circuito di adattamento Q, 116, ? il fattore di scala adattativo A ? che ? fornito al quantizzatore Q \ 115 per lo stesso scopo che h stato in precedenza descritto. L'elemento di previsione adattativo 112 serve per generare il segnale previsto s^1che ? accoppiato all'altro in gresso del sommatore 117* L'elemento di previsione adattativo 112 ? identico all'elemento di previsione adattativo 12 del codificatore 100. Il sommatore 117 serve per sommare digitalmente i due segnali di ingresso per produrre il segnale ricostruito r* che ? una stretta versione quantizzata del segnale di ingresso originale B. Il segnale r* ? fornito'all'ingresso dell'elemento di previsione adattativo 112 e all'uscita dove esso ? utilizzato per ricostruireun duplicato del segnale vocale o di dati entro la banda vocale d'ingresso originale.
Il circuito di adattamento Q secondo la presente invenzione ? rappresentato pi? dettagliatamente nella figura 2 dei -disegni. L?ultima uscita in PCM, I^ ? accoppiata ad un vigoroso circuito di aggiornamento moltiplicativo 21, come lo ? l?ultimo fattore di scala ?^_^ . Il segnale ^ ? fornito attraverso l'unit? di ritardo 22. L?uscita del circuito di aggiornamento 21 ? il segnale del fattore di scala ? T? La funzione di questo circuito di aggiornamento pu? essere descritta come segue:
(1)
In altre parole il fattore di scala ? T ? fornito dal fattore di scala precedente ? ^ innalzato alla potenza , moltiplicato per una funzione invanriante nel tempo del codice-parola Ci?, naturalmente, ? alquanto simi_ le alla, ma al tempo stesso diverso dalla funzione di aggiorna mento utilizzata nel codificatore CJF-ADPCM.
Beta ( fi ) ? un numero che ? molto prossimo ad uno (ad esempio 63/64). La funzione beta introduce memoria finita nel processo di adattamento cos? da ridurre l?effetto e gli errori di trasmissione. La funzione M(I, _\), ? scelta in modo ta le che ? T ? maggiore di ? / quando la parola di codice PCM I . ha un grande valore, e ? T ? minore di ? , * quan do la parola di codice PCM I ha un piccolo valore. Perci?, ad esempio, quando 1^ ^ rappresenta il passo pi? grande del quantizzatore, ? un certo numero maggiore di 1 come ad esempio 2, e quando I^ ) rappresenta il passo pi? piccolo del quantizzatore, M(I^ ^ ) potrebbe essere un certo numero, minore di 1, come ad esempio 0,9? Perci?, e c?me risulta r? ovvio agli esperti del ramo, la variabile adattativa ? , varier? in modo previsto assai rapidamente, ci? essendo desiderabile per segnali vocali di ingresso. La funzione ?(?^_^ ) pu? essere memorizzata in una memoria di sola lettura (ROM), che quindi ad essa pu? essere fatto accesso in risposta al valore di Inoltre il ? 3 pu? essere realizzato, ad j? sempio impiegando tecniche di trasformazione logaritmica con venzionali, oppure, in un ambiente DSP, mediante una soluzio ne di approssimazione lineare a porzioni. Queste due funzio-
nii sono quindi moltiplicate per otienere
Il segnale ? ? viene accoppiato al filtro passa-basso digitale unipolare 23 che ha una grande costante di tempo
(ad esempio 150'ms). L?effetto di ci? ? quello di livellare le pi? rapide variazioni in ? , in modo tale che l?uscita del filtro ? ? varia molto lentamente, il che ? desiderabile per dati di banda vocale d?ingresso . L'uscita ? T viene fornita al moltipli catore 24 e l ?uscita ?? vi ene accoppia ta al moltiplicatore 25- L?altro ingresso del moltiplicatore 24 ? il parametro adattativo ottenuto dal circuito dje cisionale di bloccaggio/sbloccaggio 26 il cui ingresso ? il segnale di differenza quanti zzato d ? Il circuito decisionale 26, che sar? descritto dettagliatamente in seguito, fornisce un segnale di uscita ci, che si avvicina ad 1 quando il segnale di ingresso originale s rappresenta parlato, e ha come conseguenza un?uscita avvicinantesi a 0 per dati di banda vocale di ingresso. Il segnale e invertito nell?inv vertitore 27? Esso ? quindi sommato nel circuito seminatore 28 in modo da fornire il segnale di uscita 1-oL, che ? quindi accoppiato al moltiplicatore 25? Le uscite dei moltiplicatori 24 e 25 sono entrambe accoppiate al sommatore 29 il quale for nisce a sua volta il segnale del fattore di scala ? .
Per riassumere quanto precede, per un ingresso di segnale vocale, JL generalmente ? prossimo a uno, e quindi il fattore . di scala ? e prossimo al fattore di scala ?,, che varia rapidamente con l?ingresso vocale mentre, per dati di in gresso nella banda vocale, il parametro variabile ot ? prossi mo a 0 e, perci?, il fattore di scala ? ? prossimo al fattore di scala ? ^ che ? all?incirca costante. Il parametro adattativo ^ fornisce una dolce transizione quando il fattore ili scala ? viene variato da ? ? a ? e viceversa; la dolce transizione ? necessaria per minimizzare l?effetto di errori di trasmissione fra il codificatore ed il decodificatore, che potrebbero derivare se tale dolce transizione non ha avuto lu? go.
Il parametro adattativo. d- e ottenuto da, o sviluppato dal circuito decisionale 26 illustrato dettagliatamente nella figura 3? Il segnale di differenza quantizzato d ? fornito al circuito 31 di "valore assoluto" la cui uscita /d / ? un valore assoluto indipendente dal segno del segnale di ingresso. Il segnale /d ? accoppiato ailfingresso dei filtri pajs sa-basso digitali imipolari 32 e 33? Il filtro 32 ha una piccola costante di tempo (ad esempio 10 msec) e il filtro 33 ha una grande costante di tempo (ad esempio 150 msec). Il segnale dms dal filtro 32 rappresenta il valore differenza (di segnale) per il termine breve; in altre parole esso ? la media a breve termine del valore di d . Il segnale dml dal filtro 33 rappresenta il valore differenza (di segnale) entro una durata relativamente lunga, cio? esso ? la media a lungo termine del valore di d ? I segnali dms e dml sono fom iti al comparatore di soglia 34? Come il nome stesso indica, questo ultimo circuito compara i due ingressi ad esso per produrre la variabile di uscita x? La variabile x ? solo uno di due va lori, o pi? uno oppure meno uno; in altre parole si ha x=+1 o x=?1. Se dms e dml sono abbastanza prossimi, ad esempio se essi rientrano entro un valore di soglia mutuo T, allora x=-1, viceversa, se essi differiscono per pi? di tale valore di soglia T, allora si ha x=+1. la funzione del comparatore di soglia 34 pu? essere meglio descritta matematicamente nel modo seguente:
se (l-T).dml < dms < (1+T).dm
allora x=-1
in caso contrario x=+1
e, ad esempio, T = 0,125?
Se i valori di breve e lungo termine del segnale di ingresso d^ sono a pedinamento, allora ? ragionevole suppor re un segnale di ingresso di propriet? statistiche pi? o meno costanti come ad esempio dati nella banda vocale; in questo caso, perci?, x=-1? Al contrario, se i valori di breve e lun go termine del segnale di ingresso d differiscono notevolmen te, allora ? ragionevole supporre un segnale di ingresso di propriet? statistiche rapidamente variabili come ad esempio parlato , e quindi si ha x=+1?
Il segnale x ? fornito al filtro digitale passa-bas so unipolare 35, che ha una costante di tempo molto breve (ad esempio 5 millisecondi).' L'uscita del filtro 35 (<=0 ) ? una variabile nell'intervallo di meno uno e pi? uno
(-1 ^ <kf < l)? Questa uscita oV* rappresenta tla media esponenzialmente pesata del segnale di ingresso x* L'operazione di somma del sommatore 36 e l'operazione di moltiplicazione del moltiplicatore 37 producono il parametro adattativo
Per riassumere il funzionamento del circuito,.quan- . do il segnale di ingresso d rappresenta campione di dati nel la banda vocale, dms ~ dml e x=-1, JQ' si approssima cos? a, -1 e perci? ?J- isi approssima a 0;e di conseguenza,fattorej?i . scalaA - A ^ AlternativaaentV luando il segnale d-ingresse d^ rappresenta campioni vocali dms / dml e x=+1, ci.'T^ &^avvicina a 1, e perci? <A- si avvicina a 1; e di conseguenza per il fattore di scala si ha ? i ? J?
Il circuito o elemento di previsione adattativo di figura 1 ? rappresentato pi? dettagliatamente nella figura 4? Il segnale ricostruito r (o r') viene accoppiato all'ingresso del filtro trasversale adattativo 41 che, per scopo illustrativo, si supporr? sia un filtro trasversale a quattro punti di derivazione, e all'ingresso del circuito 42 di aggiornamento dei coefficienti. Il filtro trasversale 41 ha struttura convenzionale e la sua uscita sg ? uguale alla somma dei coefficienti a^ moltiplicati per i campioni passati del segnale ricostruito r:
(2)
Si suppone perci? che il filtro trasversale 41 comprenda quattro punti di derivazione e quindi quattro campioni precedenti di r sono moltiplicati per il coefficiente , in cui i=1, 2, 3, 4? Il segnale o segnali a^ sono forniti dal circuito 42 di aggiornamento dei coefficienti. Questo ultimo circuito ? una forma semplificata dell'algoritmo di adattamento di gradiente, che b una tecnica nota per il pilotaggio di un filtro trasversale adattativo. Il circuito di aggiornamento 42ha quattro ingressi. Il primo ? il segnale ricostruito r, un altro e il suo proprio segnale di uscita a^, un terzo ingresso ? il segnale ? ottenuto dal comparatore di soglia 43 e l?ultimo ? il segnale d^ dal quantizzatore 15.
Il segnale ricostruito r h pure accoppiato al circuito 44 di valore assoluto,la cui uscita /r/ ? un valore assoluto indipendente dal segno del segnale di ingresso. Il s? gnale /r/ ? fornito all?ingresso del filtro digitale passabasso unipolare 45 di breve costante di tempo ad esempio 10 msec. Il segnale rms dal filtro 45 rappresenta il valore di segnale ricostruito per il breve termine; in altre parole esso ? la media di breve termine del valore di r. L?uscita del filtro 45 viene comparata nel comparatore di soglia 43 con il segnale dms precedentemente descritto. Come il nome stesso dice, quest?ultimo circuito compara i due ingressi di esso per produrre la variabile ?. La variabile ? ha solo uno dei due valori c=e?, o c=c?, in cui c > c ? La funzione del com? paratore di soglia 43 pu? essere meglio descritta matematicamente come segue:
Dati che siano i quattro segnali di ingresso descritti SLL circuito di aggiornamento 42 dei coefficienti la sua funzio V?
ne pu? essere descritta matematicamente come segue:
Lf uscita a^ ? ottenuta moltiplicando lf ultimo a^ per la costante 1 elevata alla potenza i, e il risultato di qu? sta moltiplicazione ? quindi sommato alla variabile c moltipli cata sia per il segno del segnale d che per il segno del segnale ? Come risulter? ovvio agli esperti del ramo, queste operazioni comprendono semplici moltiplicazione e somma algebrica, la variabile ? nella precedente equazione (3) controlla la velocit? di adattamento del circuito di previsione, c^ offrendo una minor velocit? di adattamento che ? particolarmente utile per segnali di tono di ingresso, la costante introduce memoria fini ta nella procedura di adattamento cosi da ridurre l 'effetto di errori di trasmissione . In aggiunta, e come risulter? evidente agli esperti del ramo , ta le circuito di previsione adattativoha struttura relativamente semplice e al tempo stesso abbastanza affidabile. Uh aspetto particolarmente vantaggioso del quanti zzatore secondo la presente invenzione ? costituito dal fatto che esso consen te di impiegare tale semplice struttura di circuito di previsione adattati vo la quale ?. nel contempo molto efficiente. Tuttavia, l 'invenzione non ? limitata nel suo impiego a tale particolare struttura di circuito di previsione adattativo.
Ad esempio, pu? essere impiegata vantaggiosamente una quals?a si delle strutture di previsione adattative e delle tecniche di adattamento descritte nell?articolo di Jerry D. Gibson intit? lato "Adaptive Prediction in Speech Differential Encoding Systems", Proceedings of th? IEEE, voi. 68, No. 4, Aprile 1980, pagine 488-525?
L?algoritmo di codificazione ? illustrato nel diagramma di flusso della figura 5 dei disegni. I "blocchi enumerati in questa figura rappresentano passi della procedura di codi_ ficazione. Dopo inizializzazione, viene calcolata in 51 lavalutazione di segnale sg, mediante il filtro trasversale 41 nel modo che ? stato precedentemente descritto, ed il segnale ricostruito viene spostato; in altre parole gli r campioni sono spostati nella linea di ritardo del filtro traver sale 41? Il passo successivo 52 dell?algoritmo di codificazio ne ? quello di calcolare il segnale di differenza d il quale comprende la somma algebrica dei due ingressi del sommatore 11. Il segnale di differenza d viene quindi quantizzato, l?uscita I in PCM a 4 bit viene formata, e da quest?ultima viene sviluppata la versione quantizzata di d (cio?, d ) -questo c? stituendo il passo 53 dell?algoritmo. Nel passo 54 dell?algoritmo, viene calcolato il segnale r ricostruito ed esso ? for mato mediante il sommatore 17? il passo di aggiornamento 55" serv? per aggiornare i segnali di fattore di scala e l?equazione per ? ?, naturalmente, l?equazione (l) fornita precedentemente* Inequazione per ? e la rappresentazi matematica della funzione del filtro passa-basso 23? Valori esemplificativi per i parametri costanti delle due equazioni del blocco 55 sono rappresentati all*esterno e a destra del blocco stesso, la costante V determina la costante di tempo del filtro passa-basso 23? Impiegando il parametro pi? rjj cente, , viene calcolato il fattore di scala ? nel successivo passo 56 secondo il funzionamento descritto del cir cuito della figura 2. Avendo generato nuovi valori per d e r, i parametri dml, dms, <=5?*,cAL e rms vengono quindi aggiornati in conformit? con le equazioni appropriate rappresentate nel blocco 57; ancora una volta, valori esempliticantivi per i parametri costanti di queste equazioni sono rappresentati all?esterno del blocco 57 ma adiacenti ad esso* Come in precedenza, le equazioni.per dml, dms,<4,' e rms sono le rappresentazioni matematiche dei filtri passa-basso digitali unipolari delle figure 3 e 4? Impiegando i valori dms e rms, il comparatore di soglia 43 trova o determina il valore appropriato per la variabile _c secondo le equazioni fornite nel blocco o passo 58. Da ultimo, i valori di a^ sono aggiornati mediante il circuito 42 di aggiornamento dei coefficienti (passo 59)? Una?volta che .questo passo ? stato completato, il codificatore attende il successivo campione di ingresso e l?intera procedura viene ripetuta ancora una volta, come ? illustrato nella figura 5? Come gli esperti del ramo comprenderanno, il diagramma di flusso di figura 5 no intende illustrare un esatto sequenziamento di eventi; ad e sempio alcuni dei passi possono verificarsi essenzialmente nel medesimo tempo? Come sar? inoltre compreso, l?invenzione ? realizzata tramite l?impiego di un processore di segnali digitali programmabile, la sequenza di passi potendo naturalmente essere diversa.
L?algoritmo di decodificazione e rappresentato nel diagramma di flusso di figura 6. I blocchi elencati in figura 6 rappresentano i passi in questa procedura di decodifica**' zione. Dopo inizializzazione, la valutazione di segnale s * viene calcolata., nel passo 61, nel circuito di previsione adattati'.vo 112, ed il segnale ricostruito r?^_^ ? spostato nella linea di ritardo del filtro trasversale del circuito di previsione 112. Il passo 62 si riferisce alla ricezione e alla decodificazione del segnale PCM differenziale I* a 4 bit, seguito dalla generazione o "ricerca" della versione quantizza ta del segnale di differenza d * (passo 63)? I passi rimanenti da 64 a 69 trovano il loro equivalente nei passi da 54 a 59 rispettivamente nella figura 5? Perci?, non sembra opportuno fornire una rupetizione delle equazioni matematiche usate in figura 5; l?equazione per i passi da 64 a 69 sono le medesime delle equazioni rappresentate per i passi da 54 a 59? Dopo il passo 69, il decodificatore attende il successivo campione ri cevuto, e l?intero processo viene ripetuto, come ? illustrato nella figura 6 . Come per la figura 5, il diagramma di flus so di figura 6 non ? previsto per illustrare una esatta sequenza di eventi, alcuni dei passi possono verificarsi esseri zialmente nel medesimo tempo. Inoltre, se 1*invenzione ? attuata tramite l?impiego di un processore di segnali digitale programmatile, la sequenza di passi pu?, naturalmente, essere diversa.
Varie modifiche del sistema ADPCM descritto e dell?al goritmo di codificazione potrebbero risultare facilmente a questo punto evidenti. Ad esempio, il filtro trasversale 41 pu? comprendere pi? o meno di 4 punti di derivazione (3, 5? 6, ???)? Inoltre, l?invenzione non ? in alcun modo limitata ad un qualsiasi particolare quantizzatore non uniforme; infatti talune applicazioni potrebbero richiedere un quantizza tore uniforme. Le costanti di tempo dei filtri passa-basso possono essere facilmente variate, come lo possono i valori di soglia T^ e T^, e uno qualsiasi degli altri parametri costanti, a seconda di quanto ritenuto appropriato per una da ta applicazione di sistema dal progettista del sistema stesso. Da ultimo, il sistema ADPCM ? stato descritto nei termini di due velocit? di adattamento, e cio? una elevata velocit? di adattamento in cui il segnale PCM lineare-di ingresso rappre senta parlato ed una bassissima velocit? di adattamento per dati di banda vocale codificati in PCM e segnali di tono. Tuttavia rientra completamente entro i principi della presen
Claims (14)
1. Codificatore (100) per convertire un segnale di ingresso lineare rappresentativo di parlato codificato, dati nella banda vocale o segnali di tono in un segnale,di uscita PCM differenziale quantizzato, il segnale di ingresso essendo accoppiato all?ingresso di un circuito di differenza (ti), assieme ad una valutazione di segnali di detto segnale di in gresso per ottenere un segnale di differenza indicativo della differenza fra di essi, mezzi di previsione 12 per produr re detta valutazione di segnale, mezzi di quantizzazione a? dattativi (DLQ) per ricevere detto segnale di differenza e fornire sulla loro uscita una versione quantizzata del segnale di differenza, e mezzi (17) per sommare detta versione quantizzata del segnale di differenza con detta valutazione di segnale e accoppiare la somma all?ingresso di detti mezzi di previsione, detti mezzi di quantizzazione (DLQ) essendo caratterizzati da
mezzi (16) per produrre una elevata velocit? di adat tamento quando il segnale di ingresso rappresenta parlato ed una bassa velocit? di adattamento per dati di banda vocale codificati o segnali di tono?
2. Codificatore secondo la rivendicazione 1, caratte rizzato dal fatto che i mezzi per produrre 1*elevata e la bas sa velocit? di adattamento prevedono dolci transizioni (figura 2, 24, 25, 29) fra le velocit?.
3 Codificatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i mezzi di previsione (12)sono .adatta tivi, con una bassa velocit? di adattamento quando il segnale di?ingresso PCM rappresenta segnali di tono.
4 Codificatore secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che memoria finita (banda l) ? introdotta nei processi di adattamento per ridurre 1*effetto di errori di trasmissione.
5 Codificatore secondo la rivendicazione 2, caratt? rizzato dal fatto che detti mezzi di quantizzazione comprendono un quantizzatore non .uniforme.
6. Codificatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che codificazione PCM differenziale a n-bit viene attuata contemporaneamente alla quantizzazione del segnale di differenza.
7 Codificatore secondo la rivendicazione 6 in cui ?=4?
8 Decodificatore (101) per convertire un segnale di ingresso PCM differenziale an-bit quantizzato (I1) rappresentativo di parlato codificato, dati di banda vocale o segnali di tono in un segnale di uscita lineare (r*) comprendente mez zi quantizzatori adattativi inversi (115) per ricevere detto segnale di ingresso e fornire sulla loro uscita una versione quantizzata del segnale di differenza originale che ? stato codificato in detto segnale PCM differenzialea n-bit,detto decodificatore essendo caratterizzato da mezzi (116) accoppiati all'ingresso e all'uscita di detti mezzi quantizzati e control lanti i mezzi quantizzatori adattativi per ottenere una elevata velocit? di adattamento quando il segnale di ingresso PCM rappresenta parlato ed una bassa velocit? di adattamento quando il segnale di ingresso PCM rappresenta segnali nella banda vocale o segnali di tono.
9 Decodificatore secondo la rivendicazione 8, carat terizzato dal fatto che i mezzi (figura >2) per controllare le due velocit? di adattamento prevedono inoltre dolci transizioni fra dette velocit?.
10. Decodificatore secondo la rivendicazione 9, carat terizzato da mezzi di previsione (112) per produrre una valutazione di segnale del segnale vocale o di dati in banda vocale codificati in PCM originali, mezzi (117) per sommare algerbicamente detta versione quantizzata e detta valutazi? ne di segnale, 1*uscita dei mezzi di somma essendo atta ad essere accoppiata all?ingresso di detti mezzi di previsione .e all?uscita del decodificatore.
11. Decodificatore secondo la rivendicazione 10, ca ratterizzato dal fatto che 1 mezzi di previsione (112) sono adattativi, con una bassa velocit? di adattamento quando il segnale PCM di ingresso rappresenta segnali di tono.
12. Decodificatore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che memoria finita (banda l) ? introdotta nei processi di adattamento per ridurre l?effetto di errori di trasmissione.
13. Decodificatore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi quantizzatori possiedono una caratteristica non lineare.
14 Decodificatore secondo la rivendicazione 9 carat^ terizzato dal fatto che n= 4.
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Effective date: 19960125 |