KR100241689B1

KR100241689B1 - Mpeg-2를 이용한 오디오 인코더

Info

Publication number: KR100241689B1
Application number: KR1019970028650A
Authority: KR
Inventors: 배성근; 임재원
Original assignee: 김영환; 현대전자산업주식회사
Priority date: 1997-06-28
Filing date: 1997-06-28
Publication date: 2000-03-02
Also published as: KR19990004526A

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

디지털 오디오 인코더.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

디지털 오디오 인코더의 간략화, 고품질 및, 호환성 향상.

3. 발명의 해결방법의 요지

다수개의 채널에 대한 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 다수개의 슬레이브블록(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과; 이 다수개의 슬레이브블록에서 각각 처리된 결과를 모아서 각 채널에 대한 비트할당과 양자화 및 비트열 포맷팅을 수행하여 최종적인 비트열을 생성하는 매스터블록(20)과; 이 매스터블록(20)의 기능 수행을 보조하는 비트-슬레이브블록(30)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.

4. 발명의 중요한 용도

디지털 오디오, HDTV, DTV(DIRECT TV), DAV(DIGITAL AUDIO BROAD CASTING)

Description

MPEG-2를 이용한 오디오 인코더

제1도는 본 발명의 구성을 나타낸 블록도.

제2도는 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"의 구성을 나타낸 블록도.

제3도는 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"의 상세 구조를 나타낸 블록도.

제4도는 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더" 중 매스터블록의 구성을 나타낸 블록도.

제5도는 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더" 중 슬레이브블록의 구성을 나타낸 블록도.

제6은 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더" 중 매스터블록의 제어방법을 나타낸 제어흐름도.

제7은 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더" 중 슬레이브의 제어방법을 나타낸 제어흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10a, 10b, 10c, 10d, 10f : 슬레이브블록

11 : 슬레이브마이컴 12 : 슬레이브램

13 : 듀얼포트램 14 : 어드레스인코더

20 : 매스터블록 21 : 매스터램

22 : 매스터마이컴 23 : EPLD

24 : 롬 25 : 리셋스위치

26 : LED 27 : 클럭발생회로

30 : 비트-슬레이브블록

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 음성 정보의 저장 및 전송을 위해 데이터를 가공하는 디지털 오디오(AUDIO) 인코더(ENCODER)에 관한 것으로, 특히, MPEG(MOVING PICTURE EXPERTS GROUP : 미디어 통합계 동영상 압축의 국제표준 : 이하 MPEG이라 한다)-2를 이용하므로써, 디지털(DIGITAL) 신호의 높은 압축률과, 빠른 처리시간 구현 및 동종 기기간의 호환성을 높인 오디오 인코더에 관한 것이다.

주지하다시피, 디지털 오디오가 통신, 컴퓨터, 가전 등 여러 분야로 이용 범위가 확대되면서 많은 양의 데이터를 저장 및 전송하는 문제가 등장하게 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 국제 표준화 기구 산하의 MPEG-1 표준 안을 91년에 확정하였고, 이것을 다채널로 확장하여 94년 11월에 MPEG-2의 국제 표준 안이 완성되었다.

이러한, MPEG에서는, 오디오 인코딩 방식의 표준 안으로 약 128Kbit/s에서 CD (COMPACT DISK)수준의 음질을 얻을 수 있는 MUSICAM(MASKING-PATTERN ADAPTED UNIVERSAL SUBBAND INTERGRATED CODING : 이하 MUSICAM이라 한다) 방식을 채택하였다.

이 MUSICAM 방식은 청각 특성을 이용한 서브-밴드(SUB-BAND) 인코딩 방식으로, 각 서브-밴드에서 지각적인 잡음을 최소화하도록 음을 인코딩하여 96 ~ 128Kbit/s에서 주관적으로 원음과 동일한 복원음을 얻을 수 있는 방식인 것으로, MPEG의 계층 2방식으로 선정되었다.

한편, MPEG 오디오 표준 압축 방식은 인코딩의 응용 목적에 따라서 일반적으로 MPEG-1 및 MPEG-2로 나눠어지고, 다시 비트율에 따라 계층 1, 계층 2, 계층 3으로 나누어 진다.

MPEG-1 오디오 인코딩 방식과 MPEG-2 오디오 인코딩 방식의 기본적인 알고리즘은 동일하나, MPEG-1 오디오 인코딩 방식의 경우 최대 두 채널(좌, 우)의 스테레오 신호만을 인코딩하므로 인해, 음상 정위(SOUND IMAGE LOCALIZATION)가 불안정하여 현장감을 충실히 재현하지 못하는 단점이 있었다.

따라서, MPEG-2에서는 이러한 현장감을 살리기 위해 좌(L), 우(R) 두 채널의 기본 스테레오 신호에 중앙 채널(C), 서라운드 채널(LS, LS) 및 저주파 효과 채널(LOW FREQUENCY EFFECT : 이하 LFE라 한다)을 첨가하여 SMPTE, ITU등의 권고 안으로 채택된 3/2 + 1로 구성된 5.1채널(L, R, C, LS, RS, LFE)의 인코딩 알고리즘으로 표준화하였다.

제1도는 MPEG 오디오 인코더의 구성을 나타낸 블록도, MPEG-2 오디오의 인코딩 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 통계학적인 중복성을 제거하기 위하여 입력 신호를 32개의 가중 중첩가산(WEIGHTED OVERLAP-ADD)방식 등간격 필터 뱅크에 통과시켜 서브-밴트 샘플로 변환함과 동시에, 패스트 프리에 변환(FAST FOURIER TRANSFORM : 이하 FFT라 한다)을 사용하는 심리 음향(PSYCHOACOUSTIC) 모델에서 지각적인 중복성을 제거한 후, 마스크(MASK) 임계값을 얻어 양자화에 쓰이는 비트 할당 정보를 준다.

즉, 필터 뱅크의 출력 값과 마스킹 임계 값을 가지고 신호대 잡음 신호에 의해 마스킹할 수 있도록 비트 할당을 한다. 이때, 잡음을 완전히 마스킹 시킬 수 없을 때에는 주관적인 잡음을 최소화하도록 각 서브-밴드에 비트를 할당한 후, 양자화된 서브-밴드 샘플과 부가정보를 가지고 비트열을 만든다.

또한, MPEG의 계층 1, 2에서는 32개의 동일 크기를 갖는 가중 중첩 가산 방법의 단일 서브-밴드 필터 뱅크를 사용하는데, 서브-밴드 분석에 사용되는 필터는 512-탭 저역 통과 필터가 기본이 되며, 행렬 연산에 의해 주파수가 천이 되어 32개의 동일 크기 서브-밴드가 된다.

상기 서브-밴드 분석과정을 설명하면 다음과 같다.

(1) 32개의 새로운 오디오 샘플을 입력받는다.

(2) 512개의 입력 샘플을 갖는 벡터를 만든다. 이때, 입력받은 샘플은 31에서부터 0까지 놓이게 되는데 가장 최근 샘플이 0에 놓이게 되며 가장 오래된 32샘플이 버려진다.

(3) 입력 벡터에 분석 윈도우(WINDOW)를 곱한다.

(4) 512 샘플을 8개의 64샘플 블록으로 나눈 후 각 블록을 더하여 새로운 벡터를 구성한다.

(5) 분석 행렬에 의해 32 서브-밴드 샘플을 만든다.

여기서 사용하는 분석행렬 M_ik는 다음 식 [1]과 같다.

M_ik= COS[(2i + 1) (k - 16) (π/64)], 0

i

31, 0

k

63 -- [1]

한편, 서브-밴드 분석과 함께 심리 음향 모델을 사용하면, 각 서브 밴드에서 마스킹되어 들을 수 없는 최대의 잡음 레벨을 결정할 수 있으며, 이를 사용하여 각 서브 밴드에 실제 양자화기를 결정하는 비트 할당을 할 수 있다.

MPEG에서는 두가지의 심리 음향 모델을 제공하는데, 두 모델을 적절한 응용분야에 적용해서 사용할 수 있다.

심리 음향 모델 1은 FFT 스펙트럼을 순음(TONAL) 성분과 잡음(NON-TONAL)성분으로 나누어 각 성분에 의한 마스킹 임계 값을 구한후, 절대 가청 한계를 고려하여 마스킹 임계 값을 구하는 방법이다. 계층 2에서는 일반적으로 심리 음향 모델1을 이용하여 마스킹 임계 값을 구하며 낮은 압축율이 요구될 때 사용한다.

심리 음향 모델 2는, FFT 스펙트럼을 청(聽)신경의 여기 모델인 스프레딩 함수와 컨벌루션하여 마스킹 임계값을 구하는 것으로, 많은 계산량이 필요로하지만 마스킹 특성을 보다 정확히 모델링할 수 있으므로 높은 압축율을 필요로 하는 응용분야에 이용된다.

이하, 심리 음향 모델 1의 상세한 방법을 설명하면 다음과 같다.

(1) MPEG 계층 2에서는 입력된 1152 샘플 중 처음 64샘플과 맨 끝 64샘플을 제외한 1024 샘플 입력 신호에 아래의 식 [2]에 주어진 헤밍(HAMMING) 윈도우 h(i)를 씌운 후 FFT를 계산하여, 다음의 식 [3]에 의해 주파수 스펙트럼을 구한다. 이후, 상기 스펙트럼을 가지고 1152샘플에 대해서 새로운 비트를 할당을 한다.

h(i) = 1/2 root(8/3) [1 - cos(2πi/N-1)], 0

i

N-1 -----[2]

X(K) = 10 log₁₀sigma[1/N┃h(l)s(l)e^{(-j2πλμ Ξ}｜²dB,

k = 0,...,N/2, l=0/,...,N-1 -----[3]

여기서, X(k)는 스펙트럼 계수를 나타낸다.

(2) 각 서브 밴드에서의 음압 레벨을 다음 식 [4]에 의해 계산한다.

Lsb(n) = MAX[X(k), 20 log(scf_MAX(n) × 32768) - 10] ------[4]

여기서, n은 서브-밴드 인덱스, X(k)는 각 서브-밴드 영역에서의 스펙트럼 계수, scf_MAX(n)은 한 서브-밴드 당 세 개의 스케일 펙터(FACTOR) 중 최대값을 나타낸다.

(3) 심리 음향 실험을 통하여 얻어진 데이터를 사용하여 절대 가청 한계를 고려한다. 즉, 96Kbit/s 이상에서는 -12dB의 오프셋(OFFSET)을 주고 96Kbit/s 이상에서는 그대로 사용한다.

(4) 스펙트럼 정보에서 순음 성분과 잡음 성분을 찾는다.

먼저, 순음 성분을 찾아낸 후 순음 성분을 제외한 나머지 스펙트럼으로부터 하나의 임계 대역내에서 하나의 잡음 성분을 구한다.

순음을 구하는 방법은 먼저 앞 뒤 신호보다 크면 부분 최대값(LOCAL MAXIMA)으로 간주하고 아래에 주어진 주파수 영역에서 주위 신호보다 7dB 이상이 크면 순음으로 간주한다.

또한, 저주파 영역에서는 좁은 영역에 대해 찾고, 고주파 성분에서는 넓은 영역에 대해서 찾는다.

각각의 주파수 영역은 다음 식[5]와 같다.

X(k) - S(k+j)

7 dB and X(k) - X(k-j)

7 dB

j = -2, +2 for 2 ＜ k ＜ 63

j = -3, -2, +2, +3 for 63 ≤ k ＜ 127

j = -6, ..., -2, +2, ..., +6 for 127 ≤ k ＜ 255

j = -12, ..., -2, +2, ..., +12 for 255 ≤ k ＜ 500 -- [5]

이렇게 찾아낸 순음의 음압 레벨은 Xtm(k) = X(k-1) + X(k) + X(k+1)를 계산하여 얻어진다. 잡음 성분은 임계 대역내에서 순음 성분을 제외한 성분들의 합으로 얻어진다. 즉, 임계 대역 내의 에너지 합이 잡음에 의한 마스킹 성분이 된다.

또한, 심리 음향에서 임계 대역내의 에너지 합이 같을 경우에는, 어떤 형태를 갖든 같은 음압 레벨로 들리는 것을 이용해서 그 임계 대역내의 기하 중심이 되는 위치에 잡음 성분이 집중되어 있다고 가정하고 마스킹 곡선을 얻는다. 여기서, 임계 대역은 표본화 주파수에 따라 23개에서 26개로 나누어지며, 임계 대역의 크기는 저주파 영역에서는 대략 0.1kHz 정도이고, 고주파 영역에서는 4kHz까지로 달라진다.

(5) 전체 마스킹 임계 값을 계산할 때, 마스킹 성분의 수를 줄여 계산을 간단하게 한다. 이때, 순음 마스킹 성분과 잡음 마스킹 성분의 음압 레벨이 절대 가청 한계보다 작을 경우에는 고려하지 않는다.

(6) 계산량을 줄이기 위해서 각 FFT계수 k에 대해서 전부 임계값을 구하지 않고 서브-샘프링(SUB-SAMPLING)을 행한 후에 마스킹 임계값을 구한다. 계층 2에서는 처음 세 개의 서브-밴드에 대해서는 서브-샘플링을 하지 않고, 다음 세 개의 서브-밴드에서 하나씩 건너, 여섯 밴드에서 4개중 1개를 선택해서 샘플링을 행한후, 나머지 밴드(표본화 주파수가 1KHz 또는 48KHz에 대해서는 20KHz까지, 32KHz 일 때는 15KHz 까지)에서 8개중 1개만 임계 값을 구한다.

또한, 모든 순음 마스킹 성분과 잡음 마스킹 성분은, FFT계수 k와 가장 가까운 서브 샘플링된 계수로 변환한다.

순음과 잡음에 의한 마스킹 임계 값은 다음식 [6]에 의해서 계산되어 진다.

즉, 개별 마스킹 임계 값

LTtm[z(j), z(i)] = Xtm[z(j)] + avtm[z(j)] + vf[z(j), z(i)] dB,

LTnm[z(j), z(i)] = Xnm[z(j)] + avnm[z(j)] + vf[z(j), z(i)] dB, --- [6]

여기서, avtm, avnm, vf는 순음과 잡음의 마스킹 인덱스, 마스킹 함수로, 다음 식 [7], 식 [8]과 같이 계산된다.

avtm = 1.525 - 0.275z(j) - 4.5 dB,

avnm = 1.525 - 0.275z(j) - 0.5 dB, ------- [7]

vf = 17(dz + 1) - (0.4 X[Z(j)] + 6) dB for -3 ≤ dz ≤ -1 Bark,

vf = (0.4 X[z(j)] + 6) dB for -3 ≤ 1 ≤ 0 Bark,

vf = -17dz dB for 0 ≤ dz ≤ 1 Bark,

vf = -(dz -1)(17 -0.15 X[z(j)]) - 17 dB

for 1 ≤ dz ≤ 8 Bark, ----- [8]

마스킹 함수는 bark 단위의 거리(dz = z(i) - z(j))에 따른 마스킹 곡선의 기울기를 결정해 준다. 여기서 X[z(j)]는 j번째 마스킹 요소의 음압 레벨(dB)이다. 만약 -3 Bark 보다 8 Bark 이상일 때 마스킹은 더 이상 고려하지 않는다.

(7) 전체 마스킹 임계 값은 개별 마스킹 임계 값과 가청 한계의 합으로 구해진다. 순음 마스킹 성분이 m개, 잡음 마스킹 성분이 n개로 주어지면 전체 마스킹 임계 값이 구해지는데, 이러한 방법으로 구한 전체 마스킹 임계 값을 가지고 각 서브 밴드에서의 최소 마스킹 임계 값을 다음 식 [9]에 의해 결정한다.

Ltmin(n) = MIN[LTg(i)] -------- [9]

이후, 다음 식 [10]을 이용해 각 서브 밴드에서의 신호 대 마스크 비(SIGNAL TO MASKING RATIO : 이하 SMR이라 한다)를 계산한다.

SMRsb(n) = Lsb(n) - Ltmin(n) dB -------- [10]

이 식[10]에서 알 수 있듯이 신호 대 마스크 비는 각 밴드의 음압 레벨에서 최소 마스킹 임계 값을 빼주면 된다. 결국, 신호 대 마스크 비가 작다면 신호의 음압 레벨이 작거나 마스킹이 많이 되는 것이므로 SMR이 작을수록 적은 비트를 사용하여 효과적인 양자화를 할 수 있다.

한편, 각 서브 밴드의 샘플 값을 정규화 시키기 위한 스케일 펙터를 찾기 위해서는, 먼저 12샘플의 정규화된 절대 값 중 최대값을 찾아야 한다. 이 값과 MPEG에서 제안한 63개의 스케일 펙터를 비교하여 정규화된 최대값보다 바로 다음으로 큰 스케일 펙터를 그 프레임의 스케일 펙터로 한다. 이렇게 찾은 스케일 펙터는 그 자체가 인코딩되는 것이 아니라 그 값에 해당하는 스케일 펙터의 인덱스가 인코딩된다.

물론 디코딩(DECODING) 단에서는 이미 인덱스의 코드북을 가지고 있으므로 64개의 인덱스를 인코딩하는데 필요한 6비트만 전송받으면 인코더에서 보내준 스케일 펙터를 찾아낼 수 있다.

계층 2에서는 각 서브 밴드마다 한꺼번에 36 샘플(3 프레임)을 분석하여 일률적으로 비트를 할당해주기 때문에 3개의 스케일 펙터가 전송되어야 한다. 이 스케일 펙터를 인코딩할 때, 스케일 펙터 선택 정보(SCALEFATOR SELECT INFORMATION : 이하 SCFSI라 한다)를 이용하여 사용되는 비트 수를 줄이는 과정을 거친다.

SCFSI은 세 프레임의 스케일 펙터가 얼마나 비슷한가에 따라 다섯가지 클래스(CLASS)로 나누어 구해진다. 클래스를 분류하기 위해서는 dscf1과 dscf2라는 변수를 다음 식 [11]과 같이 정의하고, 각각의 dscf에는 그 값에 따라 클래스값이 주어진다. 여기서 scf1, scf2, scf3은 각각 첫 번째, 두 번째, 세 번째 프레임의 스케일 펙터를 의미한다.

dscf1 = scf1 - scf2

dscf2 = scf2 - scf3 -------- [11]

dscf1과 dscf2에 할당된 클래스값 즉, 클래스1과 클래스2는 인덱스가 되어 SCFSI를 찾는데 사용된다. 트랜스미션(TRANSMISSION) 패턴에 나타난 세 개의 숫자는 각각 첫 번째, 두 번째, 세 번째 프레임에 실제로 사용되는 스케일 펙터를 의미한다. 그리고 숫자 1, 2, 3은 각각 첫 번째, 두 번째, 세 번째 프레임의 스케일 펙터를 나타내며, 4는 세 개의 스케일 펙터 중 가장 큰 값을 표시한다.

이와 같이 클래스, SCFSI를 사용하여 비슷한 크기의 스케일 펙터에 대해서 독립적으로 전송하지 않고 대표값만 한 개 또는 두 개를 보냄으로써, 스케일 펙터를 인코딩하는데 필요한 비트 수를 줄일 수 있다. 스케일 펙터를 이런 방법으로 인코딩하는 것은 계층 1과 계층 2의 차이점 중 하나이다.

샘플과 스케일 펙터를 인코딩하는데 사용 가능한 비트 수(adb)는 전체 비트수(cb)에서 헤더정보(header)에 필요한 비트(bhdr), 에러 정정을 위한 에러 정정 비트(bcrc), 비트 할당 정보에 필요한 비트(bbal)와 보조 데이터를 위한 비트(banc)를 빼주면 되므로 아래의 식[12]와 같이 계산된다.

adb = cb - (bhdr + bcrc + bbal + banc) -------- [12]

윗 식[12]으로 얻어진 비트 수를 사용하여 샘플과 스케일 펙터를 인코딩할 수 있다.

비트 할당에 사용되는 기본 법칙은 한 프레임에 사용 가능한 비트 수를 넘지 않으면서 그 프레임 전체의 잡음 대 마스크 비(NOISE TO MASK RATIO : 이하 NMR라 한다)를 최소화시키는 것이다. 한 샘플당 사용 가능한 비트 수는 0에서 16비트이며 1비트는 신호 대 잡음 비의 증가가 없으므로 사용하지 않는다.

또한, 계층1 에서와는 달리 계층 2에서는 고주파 대역의 비트 할당 정보에 사용되는 비트 수를 줄이는 과정을 거친다.

통계적 특성을 이용하여 고주파 대역이 할당되는 비트 수를 알아보면 저주파 대역에 할당되는 비트 수보다 작음을 알 수 있다. 따라서 계층 2에서는 주어진 비트 할당표를 이용하여 저주파 대역에서는 4비트 그리고 고주파 대역으로 갈수록 3비트, 2비트로 할당 정보에 사용하는 비트 수를 줄여나가며, 30 번째와 31번째 서브-밴드에서는 한 비트도 사용하지 않는다.

또한, 각 서브-밴드에 대해서 MNR은 SNR에서 SMR을 빼서 얻어지는데 이를 나타낸 것이 식[13]이다. 여기서, SNR은 사용되는 비트 수에 의해 결정된다.

MNR = SNR - SMR (dB) ------------- [13]

즉, 처음에는 0비트가 모든 밴드에 할당된다. 이후, 샘플에 대한 비트(bspl)와 스케일 펙터에 대한 비트(bscf)가 0으로 놓여진 후 다음 과정을 반복 수행한다.

(1) 모든 채널의 서브 밴드 중에서 최소 MNR을 갖는 서브 밴드를 결정한다.

(2) 최소 MNR을 갖는 서브 밴드에 각 서브 밴드에 정해진 비트 할당에 따라 스텝을 증가시켜 SNR을 향상시킨다.

(3) 이 서브 밴드의 새로운 MNR을 계산한다.

(4) bspl이 새로 바뀌어지고 처음으로 그 밴드에 비트가 할당되었을 때는 bscf를 6비트 증가시킨다. 그리고 다음 식[14]에 의해 사용할 수 있는 비트수를 결정한다.

adb = cd - (bhdr + bcrc + bbal + bscf + bspl + banc) --------[14]

이후, 남아있는 비트 수 adb가, 한번 수행할 때 쓰여지는 bspl과 bscf의 합보다 작지 않을 때까지 상기 (1) ~ (4)까지의 과정을 반복한다.

한편, 서브 밴드 샘플을 양자화하기 위해서는 0근처의 작은 값에 대한 오차를 줄일 수 있는 즉, 0 근처에서 대칭을 이루는 선형 양자화기(MID-TREAD)를 사용한다.

다시말해, 서브 밴드 샘플은 스케일 펙터에 의해 나누어져 정규화된 다음과 같은 과정을 거쳐 양자화되어 진다.

(1) AX + B 계산

(2) N개의 MSB만을 취한다.

(3) MSB를 반전시킨다.

여기서 N은 할당된 비트의 수이다.

먼저 AX + B를 계산하면 -1 ~1 사이의 값이 -1 ~ (1-2-N+1)의 범위로 변환이 되므로 2N - 1레벨로 양자화하기가 간단해진다. 여기서, MSB를 반전시키는 이유는 동기 신호(sync-word)가 12개의 1 부호를 사용하기 때문이다.

또한, 할당된 비트에 따라 3개의 연속된 샘플을 묶어서 인코딩하면, 사용 비트를 줄일 수 있는데, 3개의 연속된 샘플을 묶어서 인코딩할 경우에 생기는 이득은 다음과 같다.

즉, 3개의 스텝으로 인코딩할 경우 각각 인코딩했을 경우에 6비트가 필요하지만 묶어서 인코딩 하면 27(=33) 스텝이면 되므로 5비트(32 스텝)만 있어도 충분하다.

이때, 그룹으로 나누워 하는 경우는 스텝이 3, 5, 9일 경우만 해당된다. 세 개의 연속된 샘플을 묶어서 인코딩할 경우에는 다음 관계식에 의해서 연속된 샘플 x, y, z를 하나의 인코딩 값 vm으로 만들어 주는데 이를 나타낸 것이 식[15]이다.

v3 = 9z + 3y + x (v3 in 0...26),

v5 = 25z + 5y + x (v5 in 0...124),

v9 = 81z + 9y + x (v9 in 0...728), -------- [15]

이상에서 살펴본 바와 같이 MPEG-2 오디오의 종래 인코딩 과정은 상기의 과정을 수행하여 이루어진다.

그러나, 상기와 같은 동작을 통해 이루어지는 종래의 인코딩 방법은, 상술한 과정을 하드웨어로 구현하는데 있어 많은 계산 시간이 소요되어 실시간 구현이 어렵다는 문제점 및 그 구조가 복잡해 진다는 문제점이 있었다.

[발명이 이루고자하는 기술적 과제]

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 각 채널에 대한 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 다수개의 슬레이브 블록(SLAVE BLOCK)과, 각 슬레이브 블록에서 처리된 결과를 모아서 최종적인 비트열을 생성하는 매스터 블록(MASTER BLOCK)과, 이 매스터 블록의 기능 수행을 보조하는 비트-슬레이브 블록(BIT-SLAVE BLOCK)을 통해 인코딩을 행하므로 인해, 압축률 및 처리시간을 향상시킴과 동시에, MPEG-2의 표준안에 의해 인코더를 구성하므로 인해, 동종 기기간의 호환성을 높인 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"는, 다수개의 채널에 대한 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 다수개의 슬레이브블록과; 이 슬레이브블록에서 각각 처리된 결과를 모아서 각 채널에 대한 비트할당과 양자화 및 비트열 포맷팅을 수행하여 최종적인 비트열을 생성하는 매스터블록과; 이 매스터블록의 기능 수행을 보조하는 비트-슬레이브블록을 포함하여 구성됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기 다수개의 채널은, 두 개의 스테레오 채널과, 한 개의 중앙 채널과, 두 개의 서라운드 채널과, 한 개의 저주파 효과 채널로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬레이브블록은, 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 두 개의 스테레오 채널과, 한 개의 중앙 채널과, 두 개의 서라운드 채널과, 한 개의 저주파 효과 채널을 각각 처리하기 위한 6개로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬레이브블록은, 매스터블록의 메모리에서 프로그램을 다운(DOWN) 받아 사용하는 부트 로더 모드(BOOT LOADER MODE)로 동작됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬레이브블록은, 상기 매스터블록과 비트-슬레이브블록에 접속되어, 상기 매스터블록과 비트-슬레이브블록간의 데이터 전송을 위한 듀얼포트램(DUAL-PORT RAM)과; 내부 메모리인 슬레이브램과; 상기 슬레이브램과 듀얼포트램의 어드레스(ADDRESS)를 디코딩하는 어드레스디코더(ADDRESS DECODER)와; 상기 램과 듀얼포트램과 어드레스디코더에 접속되어, 상기 램과 듀얼포트램과 어드레스디코더의 동작을 제어하여 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 슬레이브마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 슬레이브마이컴은, 오디오 입력 샘플을 인가받아 최종 비트열을 전송하기 위한 송수신 직렬포트와, 병렬포트와, 내부메모리와, DMA(DIRECT MEMORY ACCESS)제어기와, 타이머기능 및, 부동 소수점 연산 기능을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 듀얼포트램은, 소정의 제어신호에 의해 매스터블록에서 공유하여 사용함을 특징으로 한다.

또한, 상기 매스터블록은, 내부 메모리인 매스터램과; 롬과; 상기 슬레이브블록과 비트-슬레이브블록에 접속되어, 비트-슬레이브블록과 슬레이브블록의 듀얼포트램의 제어신호와 상기 램과, 롬의 제어신호를 생성하여 제어하는 EPLD(EMBEDDED PROGRAMMABLE LOGIC DEGIGN)와; 상기 비트-슬레이브블록과 슬레이브블록에 접속되어 신호를 시키는 리셋스위치와; 상기 비트-슬레이브블록과 슬레이브블록에 접속되어 신호를 시키는 클럭발생회로와; 상기 상기 매스터램, 롬, EPLD, 리셋스위치 및 클럭발생회로에 공통 접속되어, 각 채널에 대한 비트할당과 양자화 및 비트열 포맷팅을 수행하여 최종적인 비트열을 생성하는 매스터마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 매스터마이컴은, 오디오 입력 샘플을 인가받아 최종 비트열을 전송하기 위한 송수신 직렬포트와, 병렬포트와, 내부메모리와, DMA제어기와, 타이머기능 및, 부동 소수점 연산 기능을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 비트-슬레이브블록은, 상기 매스터블록과 슬레이브블록에 접속되어, 상기 매스터블록과 슬레이브블록간의 데이터 전송을 위한 듀얼포트램과; 내부 메모리인 비트-슬레이브램과; 상기 비트-슬레이브램과 듀얼포트램의 어드레스를 디코딩하는 어드레스디코더와; 상기 비트-슬레이브램과 듀얼포트램과 어드레스디코더에 접속되어, 상기 램과 듀얼포트램과 어드레스디코더의 동작을 제어하여 매스터블록의 기능을 보조하는 비트-슬레이브마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 비트-슬레이브마이컴은, 오디오 입력 샘플을 인가받아 최종 비트열을 전송하기 위한 송수신 직렬포트와, 병렬포트와, 내부메모리와, DMA제어기와, 타이머기능 및, 부동 소수점 연산 기능을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이러한, 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"는, 특히, 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 6개의 슬레이브블록을 통해, MPEG-2에서 채택한 두 개의 스테레오 채널과, 한 개의 중앙 채널과, 두 개의 서라운드 채널과, 한 개의 저주파 효과 채널 등 상기 6개의 채널에 대한 처리를 행한 후, 상기 처리결과를 매스터블록 및 이의 동작을 보조하는 비트-슬레이브블록에서 모아 최종적인 비트열을 생성하도록 인코딩을 행하므로 인해, 압축률을 향상시킴과 동시에, 실시간처리를 할 수 있음은 물론, MPEG-2의 표준안에 기해 인코더를 구성하므로 인해 동종 기간의 호환성을 높일 수 있게 되는 것이다.

[발명의 구성 및 작용]

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"의 기술적 사상에 따른 실시예를 들어 첨부된 도면에 의거 그 동작 및 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

먼저, 제2도 내지 제5도에서 도시되는 바와 같이, MPEG-2에 따른 6개 채널의 신호를 처리를 행하기 위한 6개의 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과, 매스터블록(20)과, 비트-슬레이브블록을 듀얼포트램(13)을 통해 접속한다.

또한, 상기 슬레이브블록(10)은, 듀얼포트램(13)과, 슬레이브램(12)과, 어드레스디코더(14)와, 상기 슬레이브램(12)과 듀얼포트램(13)과 어드레스디코더(14)에 슬레이브마이컴(11)을 공통접속시켜 구성한다.

여기서, 상기 각각의 슬레이브블록(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)은 동일한 구성을 가지므로, 동일한 명칭 및 동이한 부호를 사용한다.

또한, 상기 매스터블록(20)은, 매스터램(21)과, 롬(24)과, EPLD(23)와, 리셋스위치(25)와, 클럭발생회로(27)와, 상기 매스터램(21), 롬(24), EPLD(23), 리셋스위치(25) 및 클럭발생회로(27)에 매스터마이컴(22)을 공통 접속시켜 구성한다.

또한, 상기 비트-슬레이브블록(30)은, 상기 슬레이브블록과 동일하게 구성한다.

이를 다시 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 실시예에 있어서 각 블록의 마이컴(매스터마이컴(22), 슬레이브마이컴(11), 비트-슬레이브마이컴)으로 사용하는 텍사스 인스트루먼트(TEXAS INSTRUMENT)사의 범용 DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING) 칩(CHIP)인 TMS320C31은, DSP칩 고유의 특징과 일반 마이크로 프로세서가 가지고 있는 여러 가지 편리한 기능을 갖추고 있으며 특히 MPEG-2 인코더를 구현하기에 적합한 기능을 가지고 있다.

즉, 오디오 입력 샘플을 얻고 최종 비트 열을 전송하기 위해 필요한 송수신 직렬 포트와 타이머가 내장되어 있어서 다른 부가적인 회로가 필요 없다. 또한 병렬 포트를 가지고 있으므로 메모리 연결을 할 수 있으며, DMA 제어기가 내장되어 있어서 CPU의 성능 저하없이 외부 회로와의 데이터 교환이 가능하도록 설계 가능하다. 또한, 2K 워드의 내부 램은 서브 밴드 분석 버퍼와 FFT 버퍼로 사용 하기에 적당하며 32비트 부동 소수점 연산을 지원하므로 컴퓨터 시뮬레이션과 동일한 결과를 얻을 수 있다. 또한 TMS320C31은 부트 로더 모드를 가지고 있어 프로세서 모드와 계산 모드로의 사용이 가능하다.

상기에서 언급한 MPEG-2 계층 2알고리즘은 1152샘플을 한 프레임 단위로 하여 인코딩이 수행되므로 현재 프레임의 인코딩은 다음 프레임 1152샘플이 들어오는 사이에 끝나야 한다. 그러나 서브-밴드 분석부와 심리 음향 부분에서 많은 연산량을 필요로 하므로 속도가 빠른 TMS320C31 60MHz 프로세서를 사용하여 본 실시예를 구성하였다.

또한, 본 실시예에 있어서 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)에 있는 슬레이브마이컴(11)과 매스터마이컴(22)간의 정보 전달 위해서는 듀얼포트램(13)을 사용한다. 즉, 듀얼포트램(13)을 연결하여 슬레이브마이컴(11)과 매스터마이컴(22) 사이에 정보 전달을 수행한다.

사용된 듀얼포트램(13)은 싸이프레스(CYPRESS)사의 CY7C133으로 지연시간 없이(ZERO WAIT) 접근이 가능한 속도를 가지고 있어서 실시간 처리에 적합하다. 또한 상기 듀얼포트램(13)을 사용함으로써 모든 마이컴은 다른 마이컴의 존재를 인식하지 못한 채 주어진 작업을 수행할 수 있고 수행 결과를 쉽게 주고 받을 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서 마이컴은 독립적인 내부 메모리로 매스터블록과 슬레이브블록에 필요한 프로그램 코드, 여러 가지 데이터, 그리고 이것들을 램으로 옮겨주기 위한 프로그램이 기록되어 있어서 독립적인 시스템 동작이 가능하며 상기램을 이용하여 중간 단계의 연산 결과를 저장한다.

한편, 본 실시예에 있어서 어드레스 디코더(14)는 라티스(LATTICE)사의 GAL22V10을 사용하였는데, 이것은 최대 12개의 입력과 10개의 출력을 이용할 수 있으므로 슬레이브블록내의 모든 메모리에 필요한 여러 가지 제어 신호를 디코딩 하는데 적절하며, 또한 최대 7nsec의 전송 지연을 갖기 때문에 회로 내의 램을 지연시간 없이 접근하는데 적절하다.

또한, EPLD(23)는 매스터블록(20)에서 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)의 듀얼포트램의 제어 신호와 각각의 램과 롬의 제어 신호를 생성하여 제어하는 것으로 EPM7128ELC84-7로 설계를 하였다.

또한, 각 채널에 대한 비트 할당, 양자화, 및 비트 열 포맷팅을 수행하는 매스터블록(20)은, 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과 데이터 교환을 위해 버퍼(미도시)를 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)의 듀얼포트램(13)에 접속한다.

한편, 매스터블록(20)은 6개의 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과 1개의 비트-슬레이브블록(30) 모두와 정보교환을 위해, 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과 비트-슬레이브블록(30)에 있는 듀얼포트램을 자기의 로컬 메모리처럼 사용한다. 따라서, 매스터블록(20)은 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과 비트-슬레이브블록(30)의 존재를 인식하지 못한 채 독립적인 시스템처럼 동작 할 수 있다.

또한, 비트-슬레이브블록(30)의 전체적인 구조는 슬레이브블록과 비슷하게 구성되어 매스터블록(20)의 처리루틴을 보조한다.

또한, MPEG-2 인코더를 구현하기 위해서는 모든 시스템이 같은 동기 신호를 가져야 하므로, 매스터블록(20)에 있는 리셋스위치(25)와 클럭발생회로(27)를 각 슬레이브블럭(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)과 비트-슬레이블록(30)에 접속하며, 최종 비트 열의 전송을 위해 매스터블록(20)의 듀얼포트램을 통해 사용하여 각각의 슬레이브블록과 비트-슬레이브블록을 접속한다.

또한, 슬레이브블록에서는 롬을 사용하지 않고 있는데 이는, 매스터블록(20)의 롬에 저장된 프로그램을 다운받아서 사용 하는 방법인 부트 로더 모드를 이용하여 메모리를 절약함은 몰론, 부피를 줄이기 위한 것이다.

또한, 상기 어드레스디코더(14)는, 슬레이브램(12)과 듀얼포트램(13)의 어드레스를 디코딩하기 위한 것이다.

제6도는 매스터블록(20)에서 제어되는 EPLD(23)내의 알고리즘을 나타낸 것으로 이를 설명하면 다음과 같다.

먼저, EPLD(23)내에서 롬(24)의 제어 신호는 OE(OUTPUT ENABLE SIGNAL : 이하 OE라한다) = LOW이고 CS(CHIP SET SIGNAL : 이하 CS라한다) = !(A23 & A22 & !/STRB) 논리에서 /STRB신호가 있으며 A23(ADDRESS 23 : 이하 A23라한다)과 A22로서 제어하게 된다. 매스터램(21)은 매스터마이컴(22)에서 /CS신호는 /STRB로, /WE(WRITE ENABLE SIGNAL : 이하 WE라한다) 신호는 R/W 신호를 나타내는 것으로, 읽기(READ)와 쓰기(WRITE) 기능을 수행한다. 그리고 EPLE(23)에서 매스터램(21)은 항상 동작상태로 유지하기 위해 OE = LOW로 설정한다.

제7도는 슬레이브블록에서 제어되는 알고리즘을 나타낸 것으로, EPLD(23)내에서 슬레이브램(12)의 제어 신호는 OE = 0이고, 듀얼포트램(13)은 RW = R_W, OE = 0, CE = !(!STRB & CLK)로 설정되어 있다.

따라서, 조건 /STB와 A22 신호로 제어하여 STB신호가 LOW이고 A22가 HIGH일 때, 듀얼포트램이 설정되어 읽기나 쓰기 기능을 수행하며, 상기와 같은 과정을 반복 수행하므로써 오디오 정보를 인코딩하게 되는 것이다.

[발명의 효과]

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명 "MPEG-2를 이용한 오디오 인코더"는 특히, 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 6개의 슬레이브블록을 통해, MPEG-2에서 채택한 두 개의 스테레오 채널과, 한 개의 중앙 채널과, 두 개의 서라운드 채널과, 한 개의 저주파 효과 채널 등 상기 6개의 채널에 대한 처리를 행한후, 상기 처리결과를 매스터블록 및 이의 동작을 보조하는 비트-슬레이브블록에서 모아 최종적인 비트열을 생성하도록 인코딩을 행하므로 인해, MPEG에서 규정된 사양을 준수하고, 제한된 크기로 구현가능함과 동시에, 실시간처리를 할 수 있음은 물론, MPEG-2의 표준안에 기해 인코더를 구성하므로 인해 동종 기기간의 호환성을 높일 수 있게 되는 효과가 있는 것이다.

또한, 차세대 텔레비젼인 HDTV 인코더의 오디오 장치에 장착할 수 있도록 실시간 처리에 적합하고 복잡한 계산량의 인코딩을 수행할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

다수개의 채널에 대한 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 다수개의 슬레이브블록과; 이 슬레이브블록에서 각각 처리된 결과를 모아서 각 채널에 대한 비트할당과 양자화 및 비트열 포맷팅을 수행하여 최종적인 비트열을 생성하는 매스터블록과; 이 매스터블록의 기능 수행을 보조하는 비트-슬레이브블록을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제1항에 있어서, 상기 다수개의 채널은, 두 개의 스테레오 채널고, 한 개의 중앙 채널과, 두 개의 서라운드 채널과, 한 개의 저주파 효과 채널로 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제1항에 있어서, 상기 슬레이브블록은, 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 두 개의 스테레오 채널과, 한 개의 중앙 채널과, 두 개의 서라운드 채널과, 한 개의 저주파 효과 채널을 각각 처리하기 위한 6개로 이루어짐을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제1항에 있어서, 상기 슬레이브블록은, 매스터블록의 메모리에서 프로그램을 다운 받아 사용하는 부트 로더 모드로 동작됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제1항에 있어서, 상기 슬레이브블록은, 상기 매스터블록과 비트-슬레이브블록에 접속되어, 상기 매스터블록과 비트-슬레이브블록간의 데이터 전송을 위한 듀얼포트램과; 내부 메모리인 슬레이브램과; 상기 슬레이브램과 듀얼포트램의 어드레스를 디코딩하는 어드레스디코더와; 상기 램과 듀얼포트램과 어드레스디코더에 접속되어, 상기 램과 듀얼포트램과 어드레스디코더의 동작을 제어하여 서브-밴드 분석과 심리 음향 모델링을 수행하는 슬레이브마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제5항에 있어서, 상기 슬레이브마이컴은, 오디오 입력 샘플을 인가받아 최종 비트열을 전송하기 위한 송수신 직렬포트와, 병렬포트와, 내부메모리와, DMA제어기와, 타이머기능 및, 부동 소수점 연산 기능을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제5항에 있어서, 상기 듀얼포트램은, 매스터블록과 공유하여 사용함을 특징으로 하느 SMPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제1항에 있어서, 상기 매스터블록은, 내부 메모리인 매스터램과; 롬과; 상기 슬레이브블록과 비트-슬레이브블록에 접속되어, 비트-슬레이브블록과 슬레이브블록의 듀얼포트램의 제어신호와 상기 램과, 롬의 제어신호를 생성하여 제어하는 EPLD와; 상기 비트-슬레이브블록과 슬레이브블록에 접속되어 신호를 시키는 리셋스위치와; 상기 비트-슬레이브블록과 슬레이브블록에 접속되어 신호를 시키는 클럭발생회로와; 상기 상기 매스터램, 롬, EPLD, 리셋스위치 및 클럭발생회로에 공통 접속되어, 각 채널에 대한 비트할당과 양자화 및 비트열 포맷팅을 수행하여 최종적인 비트열을 생성하는 매스터마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제8항에 있어서, 상기 매스터마이컴은, 오디오 입력 샘플을 인가받아 최종 비트열을 전송하기 위한 송수신 직렬포트와, 병렬포트와, 내부메모리와, DMA제어기와, 타이머기능 및, 부동 소수점 연산 기능을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제1항에 있어서, 상기 비트-슬레이브블록은, 상기 매스터블록과 슬레이브블록에 접속되어, 상기 매스터블록과 슬레이브블록간의 데이터 전송을 위한 듀얼포트램과; 내부 메모리인 비트-슬레이브램과; 상기 비트-슬레이브램과 듀얼포트램의 어드레스를 디코딩하는 어드레스디코더와; 상기 비트-슬레이브램과 듀얼포트램과 어드레스디코더에 접속되어, 상기 램과 듀얼포트램과 어드레스디코더의 동작을 제어하여 매스터블록의 기능을 보조하는 비트-슬레이브마이컴을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제10항에 있어서, 상기 비트-슬레이브마이컴은, 오디오 입력 샘플을 인가받아 최종 비트열을 전송하기 위한 송수신 직렬포트와, 병렬포트와, 내부메모리와, DMA제어기와, 타이머기능 및, 부동 소수점 연산 기능을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.
제10항에 있어서, 상기 듀얼포트램은, 매스터블록과 공유하여 사용함을 특징으로 하는 MPEG-2를 이용한 오디오 인코더.