KR20030002638A

KR20030002638A - 적응 차분 펄스부호변조를 구현하는 장치

Info

Publication number: KR20030002638A
Application number: KR1020010038318A
Authority: KR
Inventors: 남상준
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-09

Abstract

적응 차분 펄스부호변조(ADPCM)의 인코더와 디코더를 작은 영역에 함께 구현하는 장치가 개시된다. 본 발명은 인코더 전용부 및 디코더 전용부와, 상기 인코더 전용부 및 디코더 전용부에 의해 공유되어 지며, 한 주기 이전의 출력 데이터를 이용하여 양자화기의 스텝 사이즈를 조정하는 스텝 사이즈 조정부를 구비하며, 상기 스텝 사이즈 조정부는 상기 인코더 전용부와 함께 인코더를 구성하고, 상기 디코더 전용부와 함께 디코더를 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

적응 차분 펄스부호변조를 구현하는 장치{A DEVICE FOR IMPLEMENTING ADAPTIVE DIFFERENTIAL PULSE CODE MODULATION}

본 발명은 적응 차분 펄스부호변조(adaptive differential pulse code modulation : 이하 "ADPCM"이라고 함)를 구현하는 장치에 관한 것으로서, 특히 작은 영역에 인코더와 디코더를 함께 구현하는 장치에 관한 것이다.

디지털 통신 시스템, 디지털 오디오 및 퍼스널 컴퓨터(personal computer)의 사운드 카드 또는 이와 유사한 장치에는 펄스부호변조(pulse code modulation : 이하, "PCM"이라고 함) 방식의 데이터가 많이 사용되고 있다. 이러한 PCM 방식은 아날로그 신호를 2진수를 기본으로 하는 부호로 변화함으로써 정보를 보다 효율적으로 전송할 수 있는 변조 방식이다. 기본적으로 PCM은 샘플링, 양자화, 부호화 과정을 가진다. 샘플링 과정은 아날로그 신호의 레벨에 대하여 일정한 샘플링 시간마다 나타나는 순시치를 검출하는 것이며, 양자화 과정은 상기 검출된 순시치를 미리 정하여 놓은 레벨에 가장 가까운 값에 근사시키는 것이며, 부호화 과정은 상기 양자화 레벨에 대하여 부호를 부가하는 것이다. 이와 같이 PCM 방식에 의해 얻어지는 코드는 2진 디지털 데이터이므로, 위에서 언급한 디지털 장치에 적용될 수 있는 장점을 가진다. 그러나 PCM 방식은 아날로그 신호의 절대 레벨을 부호화하므로 아날로그 신호가 음성 또는 사운드와 같이 최대 진폭이 평균 진폭에 비해 그다지 높지 않을 때에는 효율이 떨어진다.

위와 같은 단점을 극복하기 위하여 신호 레벨의 차분을 부호화하는 차분 펄스부호변조(differential pulse code modulation : 이하, "DPCM"이라고 함) 방식이 제안되었다. 그러나 상기 DPCM 방식은 신호의 레벨이 급격히 변화할 경우에는 그 변화분에 대하여 충분한 응답을 얻을 수 없는 단점이 있다. 이에 따라 상기 변화분의 차분에 해당하는 미리 정의된 가중치에 의하여 기준 양자화 폭을 변화시키는 ADPCM 방식이 제안되었으며, 이 방식은 고효율의 압축 부호화를 가능하게 한다. ADPCM은 음성 데이터의 전송량을 줄이기 위해 음성을 ADPCM 형식으로 압축, 복원하는 휴대용 녹음기, MP3 플레이어, 어학 학습기, 장난감 등의 음성 매체 제품에서 사용될 수 있다.

그러나 ADPCM의 압축, 복원에 널리 사용되는 G.721 권고의 알고리즘을 살펴보면, 공통으로 구현될 수 있는 부분들이 매우 많음에도 불구하고, 이러한 점을 무시하고 알고리즘만을 충실히 구현하는데 그치고 있다. 이런 점 때문에 칩 면적이 커지는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 인코더 및 디코더에서 공통되는 부분을 인코더 및 디코더에 대해서 별개로 구현하기 않고 공유되도록 함으로써 ADPCM의 구현을 효율적으로 하고, 구현을 위해 필요한 칩 면적을 줄이는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 적응 차분 펄스부호변조 인코더의 구성도.

도 2는 종래의 적응 차분 펄스부호변조 디코더의 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 적응 차분 펄스부호변조 구현 장치의 블록도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 적응 차분 펄스부호변조 인코더의 구성도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 적응 차분 펄스부호변조 디코더의 구성도.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적응 차분 펄스부호변조(adaptive differential pulse code modulation)를 구현하는 장치에 있어서, 인코더 전용부 및 디코더 전용부와, 상기 인코더 전용부 및 디코더 전용부에 의해 공유되어 지며, 한 주기 이전의 출력 데이터를 이용하여 양자화기의 스텝 사이즈를 조정하는 스텝 사이즈 조정부를 구비하며, 상기 스텝 사이즈 조정부는 상기 인코더 전용부와 함께 인코더를 구성하고, 상기 디코더 전용부와 함께 디코더를 구성하는 것을 특징으로 한다.

여기서 스텝 사이즈 조정부는 한 주기 이전의 출력 데이터와 보정 인자 사이의 관계를 표시하는 제1 테이블과, 상기 보정 인자와 새로운 스텝 사이즈 사이의 관계를 표시하는 제2 테이블을 구비하고 있다. 인코더 전용부 및 디코더 전용부는 델타(delta)의 각 비트를 선택 신호로 하는 멀티플렉서 구조로써 증감분 신호를 구현한다.

위와 같은 특징의 본 발명에 의하여 ADPCM 인코더와 디코더 알고리즘의 공통 부분을 추출하여 공통의 하드웨어로 구현한다.. 공통 부분이 대부분 데이터 테이블이기 때문에 게이트 수와 면적 면에서 30％ 정도의 이득을 볼 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 적응 차분 펄스부호변조 인코더의 구성도이다. 도 1을 참조하여 우선 ADPCM에 대해 설명한다. 음성신호는 인접한 표본값과 상관성이 강한 특성을 이용하여 입력신호와 예측과의 증감분을 취해 이것을 양자화 함으로써 압축하게 된다. 즉, 8 ㎑ 주기에서 표본값의 증감분 신호를 4 비트로 양자화 함으로써 32 Kbps(8 ㎑ × 4)의 비트율로 인코딩된다.

ADPCM 인코더에서는 입력신호인 μ 법칙 또는 A 법칙의 64 Kbps PCM을 직선 PCM 신호로 변환하여, 이 신호에서 예측 신호를 빼서 증감분 신호를 얻는다. 증감분 신호의 양자화에는 15 레벨의 적응 양자화기가 사용되고, 각 양자화 레벨에는 4 비트의 부호가 할당된다. 이 양자화기의 출력 신호가 곧 부호기의 출력 신호가 된다. 증감분 신호의 양자화에 15 레벨의 양자화기를 쓰는 이유는 4 비트가 모두 0이 되는 부호화 신호가 발생하지 않도록 함으로써, 모든 비트가 0인 부호로는 전송할 수 없는 전송 방식에 이 ADPCM 표준을 적용할 수 있게 하기 위해서이다. 양자화기의 출력 신호는 15 레벨의 적응 양자화기에 입력되어 양자화 증감분 신호가 얻어진다. 이 신호와 하나 전의 예측 신호를 가산해서 얻어지는 국부 복호신호를 써서 적응 예측기에 있어서 입력 신호에 대한 예측값을 구할 수 있게 된다.

ADPCM 인코더의 알고리즘을 다음과 같다.

let B3 = B2 = B1 = B0 = 0

if (d(n) < 0)

then B3 = 1

d(n) = ABS(d(n))

if (d(n) >= ss(n))

then B2 = 1 and d(n) = d(n) - ss(n)

if (d(n) >= ss(n)/2)

then B1 = 1 and d(n) = d(n) - ss(n)/2

if (d(n) >= ss(n)/4)

then B0 = 1

L(n) = (10002 * B3) + (1002 * B2) + (102 * B1) + B0

도 2는 종래의 적응 차분 펄스부호변조 디코더의 구성도이다. ADPCM 복호기에서는 우선 입력 신호인 4 비트의 ADPCM 부호화 신호가 15 레벨의 적응 역양자화에 의해서 증감분 신호로 변환된다. 적응 예측기에서는 이 증감분 신호와 한 샘플 전의 복호 신호를 써서 예측 신호를 구할 수 있고, 더욱이 증감분 신호와 가산함으로써 복호 신호를 얻을 수 있다. 적응 예측기에서 예측 신호의 산출을 행하는 신호 경로는 전에 기술한 ADPCM 인코더 내의 회로와 동일하다. 이 복호 신호는 μ 법칙 또는 A 법칙의 64 Kbps PCM 신호로 변환된 후, 동기 부호화 보정부에서 PCM 부호의 보정을 행해 복호 신호를 얻는다.

32 Kbps ADPCM 표준의 비트열은 4 비트의 한 부호화 워드가 순서대로 출력된다. 특히, 이 발명에서 기본으로 사용하는 G.721 권고는 과거 입력 신호에 의한 예측시의 오차를 최소로 하도록 예측 계수를 결정하는 적응 예측기를 사용하고 있다. 이 예측기는 모두 0 예측기과 모두 1 예측기를 종속 접속한 구성으로, 전송로 부호 오류에 강하고 여러 가지 종류의 입력 신호에 대해 뛰어난 예측 성능을 가지고 있다. 또 증감분 신호의 양자화에는 비선형의 양자화 특성을 갖고 그 양자화 폭이 입력신호의 전력에 따라 변화하는 적응 양자화기를 쓰고 있다.

이 적응 양자화기는 음성의 급격한 변화까지도 따라 잡을 수 있는데, 이와 같은 성질은 모뎀 신호에 대해서는 바람직하지 않다. 따라서 입력신호가 음성인지 모뎀신호인지를 검출하여 양자화 폭의 적응 속도를 제어하고, 모뎀 신호에 대해서는 이 적응 속도를 일시적으로 고정시켜 부호화 특성의 향상을 도모하고 있다.

ADPCM 디코더의 알고리즘은 다음과 같다.

d(n) = (ss(n) * B2) + (ss(n)/2 * B1) + (ss(n)/4 * B0) + (ss(n)/8)

if (B3 = 1)

then d(n) = d(n) * (-1)

X(n) = X(n-1) + d(n)

도 3은 본 발명에 의한 적응 차분 펄스부호변조 구현 장치의 블록도이다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에 의한 적응 차분 펄스부호변조 구현 장치는 인코더 전용부(301)와 디코더 전용부(303)와 공통부(305)를 구비하고 있다. 도 3에서 L(n)은 한 주기 이전의 출력 데이터를, ss(n)는 스텝 사이즈를 각각 가리킨다.인코더 전용부(301)는 공통부(305)와 함께 인코더(307)를 구성하고, 디코더 전용부(303)는 공통부(305)와 함께 디코더(309)를 구성한다. 상기 공통부(305)는 인코더 전용부(301) 및 디코더 전용부(303)에 의해 공유되며, 한 주기 이전의 출력 데이터(L(n))를 이용하여 양자화기의 스텝 사이즈(ss(n))를 조정하는 스텝 사이즈 조정부로 구성된다. 스텝 사이즈 조정부는 한 주기 이전의 출력 데이터와 보정 인자 사이의 관계를 표시하는 제1 테이블과, 상기 보정 인자와 새로운 스텝 사이즈 사이의 관계를 표시하는 제2 테이블을 구비하고 있다.

상술하면, 인코딩과 디코딩은 모두 이전의 ADPCM 값을 기본으로 양자화기의 스텝 사이즈를 조정하게 된다. 따라서 이 부분을 공동의 하드웨어로 구현할 수 있게 된다. 즉 다음 샘플(n+1)의 스텝 사이즈는 다음의 식으로 표현된다.

Ss(n+1) = Ss(n) * 1.1M(L(n))

이 수식은 2 단계의 룩업 테이블(lookup table)로 구성하는 것이 효율적이다. 먼저 ADPCM 코드의 크기는 표 1에서 보정 인자를 찾기 위한 인덱스로 사용된다. 그 후에 이렇게 찾아진 보정 인자는 표 2에서 인덱스 포인터의 이동 정도를 결정해준다. 그리고, 이 인덱스 포인터에 의해 새로운 스텝 사이즈가 결정된다. 이 표들의 값은 오랜 실험에 의해 음성 신호에 최적화된 값을 추출한 것으로 급격한 음성 변화에 대해서도 적용될 수 있도록 값이 조정되어 있다.

이젠 실제로 게이트 수와 면적을 최소화하기 위한 구현 방법을 도 4 및 도 5를 참조하여 살펴본다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 적응 차분 펄스부호변조 인코더의 구성도이고, 도 5는 디코더의 구성도이다. 도 4 및 도 5에서 점선으로 표시한 부분이 바로 공통으로 사용되는 부분이다. 일반적으로 ADPCM 방식을 이용하는 기기에서는 ADPCM 인코딩이나 디코딩 중에서 하나의 작업만을 행하기 때문에 이들이 충돌하는 경우는 발생하지 않기 때문에 이러한 구현 방법은 매우 효율적이다. 특히, 이 공통 부분이 2개의 테이블로 구성되어 있기 때문에 게이트 수를 줄이는데 큰 효과를 보인다.

두 번째로 원래의 인코딩과 디코딩 알고리즘에서는 곱셈기가 사용되지만, 이 경우에는 1 비트의 결과에 따라 쉬프트된 값과 곱한 결과나 "0"을 결과로 선택하기 때문에 멀티플렉서로 쉽게 대체될 수 있다. 이러한 방법은 또한 회로의 속도를 높이는 데도 매우 효과적이다.

지금까지의 기재는 본 발명을 구체화하는 실시예에 관한 것으로서, 본 발명의 권리범위를 한정하려는 것은 아니다. 따라서 당업자들은 본 발명의 권리범위 안에서 상기 구성에 관한 다양한 변형이나 변경이 가능함을 주목하여야 한다. 본 발명의 권리범위는 원칙적으로 후술하는 특허청구범위에 의하여 정하여진다.

본 발명에 의해 ADPCM 인코더와 디코더를 구현하면 공통되는 테이블을 공유함으로써 게이트 수와 칩 면적에서 30％의 이득을 볼 수 있다.

Claims

적응 차분 펄스부호변조(adaptive differential pulse code modulation)를 구현하는 장치에 있어서,

인코더 전용부 및 디코더 전용부와,

상기 인코더 전용부 및 디코더 전용부에 의해 공유되어 지며, 한 주기 이전의 출력 데이터를 이용하여 양자화기의 스텝 사이즈를 조정하는 스텝 사이즈 조정부를

구비하며,

상기 스텝 사이즈 조정부는 상기 인코더 전용부와 함께 인코더를 구성하고, 상기 디코더 전용부와 함께 디코더를 구성하는 것을 특징으로 하는 적응 차분 펄스부호변조 장치.
제1항에 있어서,

상기 스텝 사이즈 조정부는 한 주기 이전의 출력 데이터와 보정 인자 사이의 관계를 표시하는 제1 테이블과, 상기 보정 인자와 새로운 스텝 사이즈 사이의 관계를 표시하는 제2 테이블을 구비하는 것을 특징으로 하는 적응 차분 펄스부호변조 장치.
제1항에 있어서,

상기 인코더 전용부 및 디코더 전용부는 델타(delta)의 각 비트를 선택 신호로 하는 멀티플렉서 구조로써 증감분 신호를 구현하는 것을 특징으로 하는 적응 차분 펄스부호변조 장치.