KR20020051933A - 적응적 잡음-셰이핑 변조를 갖는 오디오 신호 처리 - Google Patents

적응적 잡음-셰이핑 변조를 갖는 오디오 신호 처리 Download PDF

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페트러스 에이. 씨. 엠. 누이텐
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요트.게.아. 롤페즈
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Abstract

오디오 신호를 처리가 제공되며, 상기 처리는 신호-셰이핑 변조(7)에 의한 디지털 신호로의 오디오 신호 변환(5), 미리 결정된 샘플링 레이트로 압축 디지털 신호로의 디지털 신호 압축 인코딩(3), 및 압축 디지털 신호를 공급하는 것을 포함하고, 잡음-셰이핑 변조는 적어도 하나의 파라미터(P)에 응답하여 적응된다.

Description

적응적 잡음-셰이핑 변조를 갖는 오디오 신호 처리{Audio signal processing with adaptive noise-shaping modulation}
국제 특허 출원서 WO 98/16014 호에는 오디오 신호를 데이터 압축하는 데이터 압축 장치가 개시되어 있다. 데이터 압축 장치는 오디오 신호를 수신하는 입력 단자, 비트스트림 신호를 획득하도록 오디오 신호를 A/D 변환하는 1-비트 A/D 변환기, 데이터 압축 비트스트림 신호를 획득하도록 비트스트림 신호에 대해 무손실 데이터 압축 단계를 실행하는 무손실 코더(lossless coder), 및 데이터 압축 비트스트림 신호를 공급하는 출력 단자를 포함한다. 또한, 데이터 압축 장치를 포함한 기록 장치 및 송신기 장치가 개시되어 있다. 더구나, 데이터 압축 장치에 의해 공급된 데이터 압축 비트스트림 신호를 데이터 확장한 데이터 확장 장치뿐만 아니라, 데이터 확장 장치를 포함한 재생 장치 및 수신기 장치가 개시되어 있다.
본 발명은 오디오 신호의 처리, 예컨대, 기록 또는 송신에 관한 것이며, 그 처리는 잡음-셰이핑 변조(noise-shaping modulation)에 의해 오디오 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 미리 결정된 샘플링 레이트(sampling rate)로 디지털 신호를 압축 디지털 신호로 압축 인코딩하는 단계, 압축 디지털 신호를 공급하는 단계를 포함한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따라 신호 처리 장치의 2개의 대안적인 실시예를 도시하는 단순화된 개략적인 블록도.
도 3 내지 도 5는 오디오 신호의 파라미터에 응답하여 시그마-델타 변조 및/또는 저역 통과 필터링을 실시하는 대안적인 방법들을 도시하는 도면.
도 6은 도 1 및 도 2의 임의의 대안적인 구성들에서 사용하기 위한 5차 시그마-델타 변조기의 단순화된 토폴로지도.
도 7은 다양한 순차들의 시그마-델타 변조기들에 대한 압축 이득을 나타내는 도면.
도 8은 시그마-델타 변조기에 고주파수 범위로 여분의 극을 부가하는 효과를 나타내는 도면.
도 9는 오디오 신호의 선택된 주파수 대역 내의 신호 전력과 압축 이득 간의 관계를 나타내는 도면.
본 발명의 목적은 유익한 압축을 제공하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 본 발명은 독립항들에서 규정된 바와 같은 신호 처리 방법 및 디바이스와 기록 또는 송신 장치를 제공한다. 유익한 실시예들은 종속항들에서 규정된다.
본 발명의 제 1 관점에 따라, 잡음-셰이핑 변조는 적어도 하나의 파라미터에 응답하여 적응된다. 본 발명은 잡음-셰이핑 변조를 적응시킴으로써, 인코더의 압축 이득이 영향받을 수 있다는 인식에 기초한다. 이것은 잡음-셰이핑 변조의 변화가 오디오 신호와의 상관(correlation)에 영향을 미치기 때문이다. 더 높게 상관된 신호들이 더욱 많이 예측됨에 따라, 더 많이 압축될 수 있다. 본 발명의 이러한 관점은 예컨대, SACD(Super Audio Compact Disc) 상에 저장하는 DSD(Direct Stream Digital) 신호들의 인코딩에 사용되는 것과 같은 무손실 인코더들에 특히 유리하다.
잡음-셰이핑 변조에서 적응적 시그마-델타 변조(adaptive sigma-delta modulation)를 사용함으로써, 압축 이득 증가는 동적 범위 상에서 획득될 수 있다. 청음 테스트들은, 예컨대, 105로부터 95㏈로의 동적 범위의 감소가 거의 인지될 수 없다는 의미에서, SACD 재기록 매체의 큰 동적 범위가 다소 덜 중요하다는 것으로 증명되었다. 특히, 고신호 레벨들에서는 청취자가 마스킹 효과들에 기인하여 통상적으로 동적 범위의 약간의 감소에 영향을 받지 않을 것이다. 실험들에서는 저차의 시그마-델타 변조기의 사용 및/또는 변조기의 고주파수 잡음의 생성 구조와 같은 인코딩 알고리즘으로부터 더 높은 압축 이득을 제공하기 위해 적응되거나 또는 변경될 수 있는 일부의 방법들이 존재하는 것으로 드러났다.
본 발명의 유익한 실시예에서, 디지털 신호로의 오디오 신호 변환은 적응적 잡음-셰이핑 변조(예컨대, 시그마-델타 변조)에 앞서 오디오 신호의 저역 통과 필터링을 포함한다. 따라서, 압축 이득의 다른 증가가 획득될 수 있지만, 저역 통과 필터링으로부터 발생한 대역폭 제한에 의해 유발된 신호 품질 열화를 희생하여 특정 범위까지 획득될 수 있다.
입력 오디오 신호는 아날로그 신호로서 공급될 수 있으며, 오디오 신호가 DSD 신호 포맷으로 규정되는 1 비트 비트 스트림 신호와 같은 디지털 신호로 변환되는 적응적 시그마-델타 변조는 잡음-셰이핑 변조일 일부로서 행해진다.
대안적으로는 오디오 신호는, 압축 인코딩에 대한 미리 결정된 샘플링 레이트의 배수인, 레이트로 아날로그 오디오 신호의 초기 오버샘플링(initial oversampling)에 의해 획득될 수 있는, 1 비트 비트스트림 신호와 같은 디지털 신호로의 변환에 공급될 수 있다. 상술한 바람직한 실시예에 관련하여, 저역 통과 필터링 및 잡음-셰이핑 변조는 이에 따라 미리 결정된 샘플링 레이트로의 1비트 비트스트림 신호의 다운샘플링을 포함할 수도 있다. 이와 같이, 44.1㎑ 샘플링 주파수에서의 64회의 미리 결정된 샘플링 레이트로서, 상기 샘플링 주파수에서의 356회의 레이트로 오버샘플링이 행해질 수 있다. 이러한 샘플링 레벨에서, 임의의 신호처리가 행해질 수 있다.
다음에서, 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1의 도면에서, 아날로그 입력 오디오 신호는 디지털 신호가 무손실 인코더(3)에 공급되는 잡음-셰이핑 변조기(2)를 포함하는 변환기(1)에 공급된다. 변조기(2)는 전형적으로 DSD 포맷의 1 비트 비트스트림 신호와 같은 비트스트림 신호의 형태로 디지털 신호를 공급하는 시그마-델타 변조기일 수 있다.
무손실 인코더(3)는 전형적으로 프레이밍(framing)을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 그것에 공급된 입력 신호는 인코더가 오디오 신호의 단기간 의사-고정 특성들뿐만 아니라 시그마-델타 변조기(1)의 양자화 에러들의 의사 고정 특성들을이용하고, 예컨대, 선형 FIR 필터(4)에 의한 예측이, 예컨대, 하프만과 같은 코딩 알고리즘들을 사용하는 가변 길이 엔트로피 인코딩, 또는 산술 인코딩의 형태로 행해질 수 있는 코딩 이전에, 연속한 소스 샘플들 간의 용장성(redundancy) 또는 의존성들을 가능한 많이 제거할 수 있는 작은 부분들로 분리된다.
그 때문에, 인코더(3)는 도시된 바와 같이, SACD 디스크와 같은 기록 캐리어 상에 기록하도록 공급될 수 있지만, 예컨대, 송신 매체를 통한 송신에 사용될 수도 있는 압축 디지털 신호를 공급한다.
도 1에 도시된 구성으로, 인코더(2)에 의해 공급된 압축 무손실 인코딩된 신호의 압축 이득은 파라미터(P)에 응답하여 시그마-델타 변조기(1)의 적응 또는 변경에 의해 본 발명의 실시예에 따라 증가된다. 다음 설명으로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에 따라, 일부 방법들은 저차의 변조기 사용과 같은 시그마-델타 변조기 구조 또는 변조기의 고주파수 잡음의 생성 구조의 이러한 적응 또는 변경에 대해 사용될 수 있다.
도 2의 대안적인 구성에서, 디지털 오디오 입력 신호는 무손실 인코더(3)에 공급되기 전에 변환기(5)에 공급된다. 변환기(5)는 저역 통과 필터(6)를 포함하며, 그에 의해 입력 신호의 대역폭이, 예컨대, DSD 포맷의 대역폭 규격에 따라 100㎑ 또는 심지어 50㎑로 제한되고, 그 뒤에는 적응적 시그마-델타 변조기(7)가 후속한다. 엄밀히 말해 불필요한 것은 아니지만, 저역 통과 필터(7)는 오디오 신호의 적어도 하나의 파라미터에 응답하여 적응하는 것이 바람직하고, 그와 동일한 것이 바람직하지만, 시그마-델타 변조기(7)의 적응 및 변경에 사용된 신호 파라미터와 상이할 수도 있다. 간단한 실시예에서, 저역 통과 필터(7)가 적응되는 경우에는 시그마-델타 변조기가 비적응적일 수도 있다.
변환기(5) 내의 저역 통과 필터(6)와 적응적 시그마-델타 변조기(7)의 조합은 디지털 입력 신호의 재양자화에 대해 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같은 신호 처리 장치는 원하는 압축 이득의 증가를 달성하기 위해 일부의 연속한 전처리 블록들(5)을 포함할 수 있다.
변환기(5) 내의 저역 통과 필터(6)는, 예컨대, 7차 IIR 체스비셰브형 1 필터(7th order IIR Chesbyshev type 1 filter)일 수 있고, 통상적으로 도 2에 도시된 바와 같은 하나 이상의 전처리 단계들에 의해 획득된 압축 이득의 증가는 도 1의 구성에 대해서 보다 더 높을 것이지만, 대역폭 제한에 기인하여 신호의 일부 품질 열화를 유발할 수도 있다.
명확하게는 도 2에 도시된 바와 같은 하나 이상의 변환기들(5)이 도 1에 도시된 변조기(1)와 인코더(2) 간의 구성에 사용될 수도 있다.
적응적 시그마-델타 변조기(1 또는 7)는 3차, 5차 또는 7차 변조기일 수 있으며, 도 7에 그래프로 도시된 바와 같이 3차 변조기에 대해 3.7 이상으로부터 7차 변조기에 대해 2.3 이하까지에 이르는 압축 이득들을 제공할 수 있다. 그러나, 통상적으로는 저차 변조기(lower order modulator)의 사용이 오디오 대역의 더 낮은 동적 범위에 기인하여 오디오 품질의 열화를 유발할 것이라는 것이 강조되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따라, 변조기(2)의 시그마-델타 변조는, 이것이 필요한경우에, 무손실 인코딩된 신호 일부들에 대해 압축 이득의 증가를 한정하기 위해, 오디오 신호의 적어도 하나의 파라미터(P)에 응답하여 적응되거나 변경된다. 이것은 전형적으로 고신호 레벨들에서 행해지며, 여기에서는 인코더(3)에 의해 제공된 압축이 통상적으로 저하된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이것은 신호 레벨 검출기(10)를 포함한 피드백 루프(9)에 의해 실시될 수도 있다. 대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 적응은 인코더(3)의 예측 필터(4)로부터 획득된 데이터 또는 도 5에 도시된 바와 같이 신호 전력 추출기로부터 획득된 제어 신호에 응답하는 제어 디바이스(11), 및 다음에 더 설명되는 바와 같이 상관기(12)를 포함할 수 있다.
도 6의 도면은 도 1 내지 도 5의 임의의 구성들에 사용하기 위한 5차 시그마-델타 변조기의 바람직한 토폴로지(topology)를 도시한다. 도시된 토폴로지는 다중 공진기 구조에 기초하며, 공진기들(R1, R2, ...R5)의 피드백 루프들 내의 계수들(c1, c2,...c5)은 루프 필터들의 극들(또는 잡음 송신 함수의 0)을 결정한다. 도시된 토폴로지가 5차 변조기에 대한 것인 반면에, 동일한 토폴로지는 또다른 공진기 구조를 부가하는 것만으로 7차 변조기에 대해 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 7은 저차 변조기들에 대한 압축 이득 증가를 도시하기 위해, 다양한 차수의 시그마-델타 변조기들에 대한 압축 이득(cg)을 10㎑의 오디오 사인파 신호에 대한 진폭(swa)의 함수로 나타내는 그래프를 도시하고, 그러나, 상기 이득은 오디오 대역 내의 증가된 양자화 잡음을 희생하여 획득된다.
통상의 변조기 설계에 있어서, 극들은 오디오 대역 내에 통상적으로 위치하며, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 다양한 신호에 대한 압축 이득을 5차 시그마-델타 변조기에 대한 극 위치(pp)의 함수로 나타낸 도 8의 그래프에 도시된 바와 같이, 시그마-델타 스펙트럼의 고주파수 부분(그렇지 않으면 거의 평탄함)에서 부가적인 구조를 생성하도록 오디오 대역 외부에 위치한 적어도 하나의 극을 갖는 것이 바람직하다.
시그마-델타 변조기의 표준 설계들에서, 극들은 전형적으로 8.7, 15.7 및 19.5㎑에서 위치하고, 이에 반하여, 본 발명에 따라, 최종 극은 20㎑ 영역으로부터 더 높은 주파수들로 이동하는 것이 바람직하다. 도면에서 나타난 바와 같이, 약 200㎑으로 극을 위치시키는 것은, 변조기가 5차 작용으로부터 1차 작용으로 변화하는 점에 대해 이러한 극 위치가 너무 가까워서 변조기가 거의 불안정하게 되므로, 다소 열악한 압축 이득을 유발할 수 있다.
반면에, 약 300㎑ 이상으로 이러한 극을 위치시키는 것은 압축 이득의 상당한 증가를 가져올 수 있다. 여분의 잡음(extra noise)이 인간의 귀가 덜 민감한 주파수 대역의 상측에 도입되기 때문에, 이것은 적응된 변조기에 상당히 수용될 수 있는 신호 대 잡음 성능의 약간의 감소에 의해 수반될 수 있다.
20㎑ 영역으로부터 더 높은 주파수들 쪽으로의 극 위치 이동은, 예컨대, 저역 통과 루프 필터와 병렬로, 종래의 변조기 구조에 개별적인 여분의 대역 통과 필터를 부가하여 달성될 수 있다. 이러한 병렬 필터를 위한 2차 버터-워스(Butter-worth) 대역 통과 필터를 사용함으로써, 압축 이득의 상당한 증가가 큰 입력들에 대해 안정하게 유지하는 결과 변조기와 미변경된 변조기에 대해 실질적으로 변화되지 않은 채 유지하는 오디오 대역의 신호 대 잡음 성능으로 실현될 수 있다.
본 발명에 따라, 전처리 디바이스 내의 적응적 저역 통과 필터 및/또는 적응적 시그마-델타 변조기에 대한, 도 5에 도시된 바와 같은, 다른 방법은 SACD 디스크와 같은 기록 매체 상에 저장될 수 있는 데이터양의 추정을 제공하고, 시그마-델타 변조기 및/또는 저역 통과 필터의 적응적인 제어에 대해 이러한 추정을 사용하는 것이다.
이론적으로, 이러한 추정을 제공하는 것은, 예컨대, 임의적으로, 음악 기록들의 선택된 서브셋에 대해서만 압축 이득들을 결정하여, 음악 전체에 대한 평균 이득 지시로서 이러한 추정을 사용하기 위해 선택될 수 있다.
그러나, 실제적인 관점에서, 전형적인 음악이 상당히 단시간의 상관들로 매우 넓은 범위의 이득들을 가지며, 일부 음악의 상당한 부분이 요구된 정확도로서 이러한 방법에 의한 추정을 획득하는데 사용되어야 한다. 이러한 동작에 필연적으로 요구되는 계산양에 기인하여, 이 방법이 허용할 수 있는 해결책으로는 보여지지 않는다.
본 발명에 따라, DSD 포맷의 비트스트림 신호의 신호 전력과 압축 이득 간의 상관은 원하는 추정을 제공하는데 사용된다.
예컨대 20㎑까지의 오디오 신호 대역 그 자체 내에서, 상관은 신호 전력의 함수로서 압축 이득에 대한 매우 평탄한 응답 곡선에 기인하여 매우 약하지만, 도 9에 나타낸 그래프에 도시된 바와 같은 매우 경사가 급한 곡선으로부터 유발되는 전체 사용가능한 상관은, 예컨대 20 내지 50㎑의 정상 가청 범위 이상의 주파수 대역으로 이동함으로써 관찰될 수 있다. 예비적인 제한된 실험들은, 이러한 방법으로1% 이내의 정확도를 갖는 추정들이 획득될 수 있다는 것을 보여주었다.
상술한 실시예들은 본 발명을 제한하기보다는 예시하는 것이며, 당업자들이 추가된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 다수의 다른 실시예들을 설계할 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 청구항들에서, 괄호들 사이에 위치한 임의의 참조 부호들은 청구항을 제한하는 것으로 해석되지 말아햐 한다. 단어 '포함한다(comprising)'은 청구항에 기재된 것과는 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 제외하지 않는다. 본 발명은 일부의 개별 요소들을 포함하는 하드웨어 및 적절히 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 실시될 수 있다. 일부 수단들을 열거하는 장치항에서는 일부 이러한 수단들이 하드웨어 및 하드웨어의 동일한 아이템으로 실시될 수 있다. 특정한 방법들이 서로 상이한 독립항들에서 인용한다는 사실은 이러한 방법들의 조합이 장점으로 사용될 수 없는 것을 나타내는 것은 아니다.

Claims (13)

  1. 잡음-셰이핑 변조(noise-shaping modulation)에 의해 오디오 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계,
    미리 결정된 샘플링 레이트(sampling rate)로 상기 디지털 신호를 압축 디지털 신호로 압축 인코딩하는 단계, 및
    상기 압축 디지털 신호를 공급하는 단계를 포함하는 오디오 신호 처리 방법에 있어서,
    상기 잡음-셰이핑 변조가 적어도 하나의 파라미터에 응답하여 적응되는 것을 특징으로 하는, 오디오 신호 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변환 단계는 상기 적응적 잡음-셰이핑 변조 이전에 상기 오디오 신호를 저역 통과 필터링하는 단계를 포함하는, 오디오 신호 처리 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 저역 통과 필터링은 적어도 하나의 파라미터에 응답하여 적응되는, 오디오 신호 처리 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 적응적 잡음-셰이핑 변조 및/또는 상기 적응적 저역 통과 필터링은 피드백 제어에 의해 제어되고, 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 디지털 신호로부터 획득된 신호 레벨을 포함하는, 오디오 신호 처리 방법
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 적응적 잡음-셰이핑 변조는 비적응적 시그마-델타 변조 이전에 적응적 저역 통과 필터링을 포함하는, 오디오 신호 처리 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 압축 인코딩은 상기 디지털 신호의 선형 예측 필터링을 포함하고, 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 예측 필터링으로부터 획득된 데이터에 기초하는, 오디오 신호 처리 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 디지털 신호의 선택된 주파수 대역 내의 신호 전력을 포함하는, 오디오 신호 처리 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 선택된 주파수 대역은 20㎑ 이상인, 오디오 신호 처리 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 적응적 잡음-셰이핑 변조는 20㎑ 이상의 적어도 하나의 극을 갖는 적응적 시그마-델타 변조를 포함하는, 오디오 신호 처리 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 극은 300㎑ 및 그 이상의 고주파수 범위 내에 위치하는, 오디오 신호 처리 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 적응적 잡음-셰이핑 변조는 저역 통과 필터와 병렬로 대역 통과 필터로서 동작하는 루프 필터를 갖는 다중 공진 구조인, 오디오 신호 처리 방법.
  12. 잡음-셰이핑 변조에 의해 상기 오디오 신호를 디지털 신호로 변환하는 수단,
    미리 결정된 샘플링 레이트로 상기 디지털 신호를 압축 디지털 신호로 압축 인코딩하는 수단, 및
    상기 압축 디지털 신호를 공급하는 수단을 포함하는 오디오 신호 처리 디바이스에 있어서,
    상기 잡음-셰이핑 변조는 적어도 하나의 파라미터에 응답하여 적응되는 것을 특징으로 하는, 오디오 신호 처리 디바이스.
  13. 오디오 신호를 송신 또는 기록하는 장치에 있어서,
    상기 기록 장치는:
    오디오 신호를 획득하는 입력 유닛,
    상기 오디오 신호를 처리하여 처리된 오디오 신호를 획득하기 위한 청구항 제 12항에 청구된 바와 같은 오디오 신호 처리 디바이스,
    상기 처리된 오디오 신호를 출력하는 출력 유닛을 포함하는, 오디오 신호를 송신 또는 기록하는 장치.
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