KR930009436B1

KR930009436B1 - 파형부호화/복호화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR930009436B1
Application number: KR1019910024602A
Authority: KR
Inventors: 오광석; 조근래; 홍재범
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 김광호
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-10-04
Also published as: JP2948024B2; KR930015376A; US5298899A; JPH0897723A

Abstract

내용 없음.

Description

파형부호화/복호화 장치 및 방법

제 1 도는 종래의 펄스부호변조방식에 의한 재생파형.

제 2 도는 종래의 적응형 델타변조방식에 의한 재생파형.

제 3 도는 본 발명에 따른 파형부호화/복호화 장치의 블럭도.

제 4 도는 본 발명에 따른 파형부호화/복호화 방법의 과정을 나타낸 도면.

제 5 도는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면.

제 6 도는 본 발명의 실시예에 따른 재생파형.

제 7 도는 원신호파형, 적응형델타변조방식에 따른 재생파형 및 본 발명에 의한 재생파형의 시뮬레이션 비교파형도.

본 발명은 아날로그신호를 데이타압축하는 파형부호화/복호화 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, 오디오 및 비디오신호등의 아날로그신호 전송시 데이타를 압축하여 데이타량을 축소시킴으로써 메모리용량을 감소시킬 수 있는 파형 부호화/복호화 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 일반적으로 가장 알려진 파형부호화방법으로는 펄스부호변조(Pulse Code Modulation ; 이하 PCM이라 함)방식을 들 수 있는데, 이 PCM방식을 실현하기 위한 통신시스템은 크게 샘플러(sampler), 양자화기와 인코더의 조합인 A/D변환기, 수신측의 양자화기 및 디코더의 조합인 D/A변환기와 필터로 구성된다. 이와같이 구성된 PCM시스템의 파형변조방법을 살펴보면 먼저, 입력되는 아날로그신호를 샘플러(sampler)에 의해 표본화한후 양자화기에 의해 양자화한다.

즉, 주파수 fm(Hz)이상되는 성분이 없는 주파수폭이 제한된 신호를 매 T초마다 반복되는 폭이 r초인 주기적인 거형파펄스(Pr(t))를 표본화간격 T(나이키스트 샘플링간격 1/2fm초)으로 샘플링(sampling)한다.

이와같이 샘플링된 신호를 몇개의 스텝으로 분리하여 각 스텝중앙의 일정준위로 양자화한다. 이때 매순산마다 양자화된 신호는 원신호에 가장 가까운 양자화준위를 가지게 된다. 이같이 펄스를 펄스크기에 따라 구본(양자화하고), 구분된 펄스를 부호화하는 부호기(인코더)를 통해 각각의 표본에 대한 단위펄스의 유효조합으로 부호화하여 전송한다.

디지탈로 부호화된 신호가 수신측에 도착하면, 전송되는 동안 부가된 잡음으로부터 신호를 분리하여 양자화기에서 각 펄스구간에서의 펄스유무 및 두전압준위차를 비교, 판정하고 그 결과를 재생성된 펄스열의 형태로 복호기에 보낸다. 복호기(decoder)에서는 부호기의 역동작으로써 양자화된 다준위의 표본펄스배면을 출력하고, 기저대역외에 존재하는 주파수성분을 제거하기 위해 필터링(filtering)하며 원신호로 복원한다.

이러한 PCM 통신방식은 한개의 표본화된 신호를 보내는데 여러개의 펄스가 필요하여 동일한 정보를 보내는데 있어서 다른 펄스 변조방식보다 더 많은 데이타량이 필요하다.

이 방식은 원래 신호에 가장 충실한 반면 매번 샘플링(sampling)할때마다 그 값을 양자화하는 할때마다 그 값을 양자화하는 비트(bit)수 만큼의 데이타를 가져야하기 때문에 데이타량의 측면에서 많은 로스(loss)가 발생하였다.

즉, 음성신호(speech signal)일 경우 8KHz마다 샘플링하여 8bit 양자화할 경우 1초에 64K bit가 필요하게 된다.

이 방식은 가장 정확하지만 많은 데이타량이 발생하기 때문에 원래의 신호를 크게 손상시키지 않는 범위에서 데이타량을 축소시킴으로써 데이타 저장 메모리의 용량을 축소시킬 수 있고 동일한 채널을 통해 더 많은 정보를 전송할 수 있는 통신방식이 필요하게 되었다.

이에따라 적용된 적응형 델타변조(Adaptive Delta Modulation ; 이하 ADM이라 함)방식은 스텝폭을 적응적으로 변화시킬 수 있도록 한 방식으로, ADM방식으로 형성된 신호파형을 원신호 파형에 접근시키기 위해 스텝크기를 필요한만큼 비교기에서 더하거나 빼거나 한다. 즉, k번째 클럭파형의 끝동(파형이 하이나 로우로 변하는 지점)에서 스텝의 방향이 끝동지점(k-1)에서와 같으면 기본 스텝만큼 증가시키고 반대방향이면 기본스텝크기만큼 감소시키며, 스텝의 방향이 일정하면 원신호에 접근하는 방향으로 기본스텝을 유지시키는 방식으로 제 2 도에 나타낸 파형으로 재생된다.

이러한 방식의 적응형 델타변조(ADM)방식은 샘플링간의 상관이 대단히 높기 때문에 샘플링주기를 충분히 빠르게 하면 1비트 양자화에 의한 정보압축이 가능하다. 따라서, 1샘플당 1bit가 필요하므로 32k 샘플링일 경우 32k bit/sce, 1초의 신호에 대하여 32k bit가 필요하므로 PCH방식에 비해 데이타량을 1/2로 축소시킬 수 있다.

그러나, 이 방식으로는 원신호의 급격한 변화에 따라갈 수 없기 때문에 스뎁오버로드 (step over load)일그러짐이 발생하고, 원신호의 변화가 느린부분 혹은 변화가 아주 적은 부분에서도 재생 파형이 0,1,0,1을 반복하는 그래뉼럴 노이즈(Graular Noise)가 발생하게 되는 문제점이 나타났다.

따라서, 본 발명은 원신호파형에 충실하게 파형을 복원시킬 수 있으면서 데이타량 축소가 가능한 파형부호화/복호화 방치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 데이타저장 메모리의 용량을 축소시킬 수 있으며 동시에 보다 많은 정보를 통신 채널상으로 전달할 수 있는 파형부호화/복호화 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

이에따른 본 발명의 파형부호화/복호화 장치는 신호의 최대주파수를 넘어서는 주파수성분을 제거하는 제 1 필터수단과, 대역제한된 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시켜 펄스부호변호(PCM)데이타를 출력하는 A/D변환수단과, 임의의 레벨이하의 펄스부호변조데이타를값으로 치환시켜주는 검파수단(detector)과, 연속되는 3개의 펄스부호변조데이타를 샘플로 받아들이는 버퍼수단과, 상기 버퍼수단의 3개의 샘플크기를 비교하여 극값일 경우 그 값을 출력하는 비교수단과, 상기 비교수단으로부터 극값이 입력되면 리셋(reset)되어 다음 극값이 검파될때까지 매 PCM 샘플마다 카운팅하여 카운팅값을 출력하는 카운터수단과, 상기 비교수단 및 카운터 수단의 출력을 다중화하여 극값정보와 카운팅값(거리정보)순으로 순차적으로 출력하는 멀티플랙서와 상기 멀티플랙서로부터 출력되는 극값정보와 극값간의 거리정보를 분리시키는 분리수단과, 분리된 정보중 연속적인 2개의 극값정보를 저장하는 제 1 레지스터와 상기 분리수단의 출력값중 극값간의 거리정보를 저장하는 제 2 레지스터와 상기 제 1 레지스터에 저장된 연속된 2개의 극값정보를 감산하는 제 1 연산수단과 상기 제 1 연산수단의 출력값과 상기 분리수단에서 분리된 극값간의 거리정보의 제산을 행하는 제 2 연산수단과 상기 비교수단에서 분리된 극값정보와 제 2 연산수단의 제산치를 입력으로 하여 재생데이타를 만드는 보간수단과 상기 보간수단의 출력 데이타를 아날로그신호로 변환시켜주는 D/A변환수단과, 상기 D/A변환수단의 출력신호를 스므드(smooth)하게 하기 위한 제 2 필터수단으로 구성됨을 특징으로 한다.

이와같은 파형부호화/복호화장치를 이용하여 파형을 부호화한 후 다시 복호화하여 원신호의 근사치로 복원하기 위한 방법은 입력된 아날로그신호를 최소표본화율로 샘플링하고 양자화하여 복호화하고 부호화된 신호중 매샘플마다 연속적인 3개의 샘플크기를 비교하여 극값(p(k))을 찾아내고, 극값(p(k))과 극값(p(k-1))간의 거리(샘플수 ; d(k))를 계산하여 연속된 두 극값간의 차신호(App(k))와 나눔으로써 스텝크기(st(k))를 정하고, 극값정보(p(k))와 거리정보(d(k)) 및 스텝크기정보(st(k))를 이용하여 p(k-1)+[d(k)·st(k)]에 의해 재생파형으로 복원함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제 3 도는 본 발명에 따른 파형부호화/복호화장치의 블럭도를 나타내며 제 4 도는 본 발명 파형부호화/복호화방법의 과정을 나타낸 도면이고, 제 5 도는 본 발명의 일실시예에 따른 파형부호화/복호화 방법의 과정을 나타낸 도면이고, 이에따라 재생된 파형이 제 6 도에 도시되어 있다.

도면부호(1)은 밴드패스필터(BPF)를 나타내고 (2)는 A/D변환기, (3)은 제로(Zero)양자화기, (4)는 PCM데이타버퍼, (5)는 비교기, (6)은 카운터, (7)은 멀티플랙서, (8)은 디멀티플랙서, (9)는 레지스터, (10)은 4bit 레지스터, (11, 12)는 계산기, (13)은 보간기(interpolator), (14)는 D/A변환기, (15)는 스므딩필터(smoothing filter)를 나타낸다.

입력되는 아날로그신호를 나이키스트 이론에 입각하여 최대주파수(f_M)를 넘어서는 주파수성분을 대역통과필터(BPF ; Band Pass Filter)를 통해 제거시킨 후 나이키스트율 1/2f_M초의 표본화(sampling)간격으로 표본화한다. 이어, A/D변환기(2)에 의해 표본화된 신호를 펄스의 크기에 따라 몇단계로 구분하며 각 스텝크기로 양자화한후 이 양자화된 펄스를 2진법으로 부호화하여 2의 보수형태로 데이타를 출력한다. 이때, 임의의 어느 레벨 이하의 펄스부호변조값은 제로양자화기(zero Quantizer)에 의해값으로 양자화하여 치환함으로써 레벨이 아주 미약한 신호나 노이즈를 제거하여 PCM 데이타를 줄일 수 있다.

상기 A/D변환기(2)에서 출력된 데이타중 연속적인 3개의 샘플은 PCM데이타버퍼(4)에 입력되어 저장되는데 이것은 일종의 쉬프트레지스터(shift register)기능을 수행한다.

비교기(5)에서는 PCM데이타버퍼(4)에서 출력된 연속적인 3개의 PCM 샘플의 크기를 비교하여 아래의 식(1, 2)와 같을 경우일때

s(n-1)〈s(n)〉s(n+1) …………………………………………………(1)

s(n-1)〉s(n)〈s(n-1) …………………………………………………(2)

s(n)값을 출력한다.

여기서, s(n, n-1, n+1)은 n, n-1, n+1번째 PCM샘플값을 나타내며, 출력된 샘플값(s(n))은 최대, 최소의 극값(P_U(k), P_L(k)을 나타낸다.

카운터(6)에서는 상기 비교기(5)에서 출력된 극값이 검파되면 먼저, 카운터를 리셋(reset)시킨후 매 PCM샘플마다 카운팅하여 다음 극값이 검파될때까지 계속 카운팅된다.

이 카운팅값은 극값과 극값간의 거리정보(d(k))로써 극값간의 샘플수를 나타낸 것으로 멀티플랙서(7)로 입력된다.

멀티플랙서(7)에서는 비교기(5)에서 출력된 극값정보(p(k))와 카운터(6)의 출력값인 극값과 극값간의 거리정보(d(k))를 멀티플랙싱(Multiplexing)하여 다음과 같은 순서로 전달채널(transmission channel)이나 저장메모리로 출력하게 된다.

p(0), d(1), p(1), d(2), p(2), d(3) ……

이와같이 매 PCM샘플마다의 정보가 아닌 중요한 정보 즉, 극값정보(p(k))와 거리정보(d(k))를 취하여 전달채널이나 메모리로부터 전달된 정보가 디멀티플랙서(8)에 입력되면 그 정보들은 각각의 정보로 분리되어진다. 상기 디멀티플랙서(8)에서 분리된 극값정보는 레지스터(9)에서 저장되는데, 이때 레지스터(9)에는 연속적인 두개의 극값정보(p(k-1), p(k))가 저장되며, 레지스타(10)에는 상기 디멀티플랙서(8)로부터 분리된 거리정보를 저장하게 된다.

이어, 계산기(11)에서는 2개의 연속적인 8bit극값 데이타(p(k-1), p(k)를 입력으로 하여 다음식(3)과 같이 뺄셈계산을 수행한다.

App(k)=p(k)-p(k-1)…………………………………………………(3)

그 결과로서 8bit의 차신호데이타(App(K))를 출력하게 된다. 상기 계산시(11)에서의 출력값인 차신호데이타(App(k))는 스텝계산기(12)에 입력되어 레지스터(10)의 출력값인 거리정보(d(k))로 나누어지는 연산히 식(4)와 같이 수행된다.

그 결과값(st(k))은 이후 보간기(Interpolator ; 13)에서 재생데이타를 만들때 정확도를 높이기 위해 몫은 8bit, 나머지는 4bit로 처리된다.

결과적으로 스텝계산기(12)에서는 스텝크기가 결정되는데 극값과 극값간의 차신호(App(k))에 거리정보(d(k))를 나눈 결과값(st(k))은 차신호(App(k))가 네가티브(Negative)이면 네가티브(Negative), 포지티브(postiove)이면 포지티브(postiove)값을 가지게 된다.

이러한 값이 보간기(13)로 입력되면 보간기(13)에서는 아래의 식(5)와 같이

1NP(k)=p(k-1)+[d(k)·st(k)] ………………………………………(5)

재생데이타(1NP(k))를 만든다.

이와같은 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 제 5 도에 도시한 바와같이 극값정보(p(k))가 p(0), o(1), p(2), p(4), p(5)…이고 거리정보(d(k))가 d(1), d(2), d(3), d(4), d(5)…이면

차신호(App(k))는

(1)-p(0)=App(1)

(2)-p(1)=App(2)

(3)-p(2)=App(3)

(4)-p(3)=App(4)로 나타나고

스텝크기정보(st(k))는

App(1)÷d(1)=st(1)

App(2)÷d(2)=st(2)

App(3)÷d(3)=st(3)를 수행하여

스텝크기가 계산된다.

이에따른 재생파형(INP(k))는 제 6 도에 도시한 바와같이

a=INP(1.1)=p(0)

b=INP(1.2)=INP(1.1)+st(1)

c=INP(1.3)=INP(1.2)+st(1)

d=INP(2.1)=p(1)

e=INP(2.2)=INP(2.1)+st(2)

f=INP(2.3)=INP(2.2)+st(2)

g=INP(2.4)=INP(2.3)+st(2)

h=INP(2.5)=INP(2.4)+st(2)

i=INP(2.6)=INP(2.5)+st(2)

j=INP(2.7)=INP(2.6)+st(2)

k=INP(3.1)=p(2)

로, 각 급값에 대해 거리정보(d(k))만큼 수행되는 것으로 이것은 p(k)와 p(k-1)를 연결하는 선형보간(Linear Interpolation)이 수행되는 결과를 나타낸다.

보간(interpolation)을 수행한후 결과로는 8bit 정수부와 4bit 소수부가 발생하게 되는데 디지탈신호를 아날로그신호로 변환하기 위하여 소수부는 버리고 정수부 8bit만 출력한다.

D/A변환기(14)에서는 A/D변환기의 역동작으로 8bit 보간데이타를 아날로그신호로 변환시킨후 스므딩필터(smoothing filter)를 통해 D/A 변환된 아날로그신호를 스므드(smoth)하게 하기위해 필터링을 수행한다.

이와같은 과정에 의해 원신호에 근사하게 재생파형이 만들어지는데 실제신호는 선형(linear)적이지 않고 비선형(non linear)적이지만 본 발명에서는 신호가 선형에 근사하다고 간주하고 수행하는 방법이다.

더욱더 원신호와 가깝게 보간하기 위해서는 스텝값을 고정시키지 않고 어떤 함수적으로 변화하도록 하면 비선형 보간도 수행할 수 있어 더욱 원신호에 근사화시킬 수 있다.

본 발명에 의하면 제 7 도에 도시한 바와같이, ADM 방식에 의한 재생파형(B)을 본 발명에 의한 재생파형(C)과 비교했을때 본 발명에 의한 재생파형(C)이 보다 원신호파형(A)에 근사화되며 PCM방식이 모든 샘플마다 데이타를 가지는 방식에서와는 달리 중요한 샘플정보만을 취하므로 데이타량을 줄일 수 있고 ADM방식에서의 슬로프오버로드에러(slope over load error)나 그래뉼러노이즈(granular noise)와 같은 일그러짐이 발생하지 않는다.

데이타량에 있어서, PCM 방식에 비해 ADM 방식은 1/2 정도 줄일 수 있으나, 본 발명은 음성신호(specch signal)일 경우 평균적으로 1/5정도 줄일 수 있으며, 오디오신호(audio signal)일 경우에는 평균적으로 1/13가량 데이타 감소를 수행할 수 있다.

또한, 신호가 디지탈화된 정보가 적으므로 저장메모리의 용량을 줄일 수 있으므로 하드웨어가 보다 간단해지며, 통신채널 상에서는 전달라인의 능력(capability)를 향상시킬 수 있다.

이상의 본 발명은 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지로 변경가능한 것이다.

Claims

신호의 최대주파수를 넘어서는 주파수성분을 제거하는 제 1 필터수단과, 대역제한된 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시켜 펄스부호변조(PCM)데이타를 출력하는 A/D변환수단과, 임의의 레벨이하의 펄스부호 변조데이타를값으로 치환시켜주는 검파수단(detector)과, 연속되는 3개의 펄스부호변조데이타를 샘플로 받아들이는 버퍼수단과, 상기 버퍼수단의 3개의 샘플크기를 비교하여 극값일 경우 그 값일 출력하는 비교수단과, 상기 비교수단으로부터 극값이 입력되면 리셋(reset)되어 다음 극값이 검파될때까지 매 PCM 샘플마다 카운팅하는 카운터수단과, 상기 비교수단 및 카운터수단의 출력을 다중화하여 극값정보와 카운팅값(거리정보)순으로 순차적으로 출력하는 멀티플랙서와 상기 멀피플랙서로부터 출력되는 극값정보와 극값간의 거리정보를 분리하는 분리수단과, 분리된 정보중 연속적인 2개의 극값정보를 저장하는 제 1 레지스터와 상기 분리수단의 출력값중 극값간의 거리정보를 저장하는 제 2 레지스터와 상기 제 1 레지스터에 저장된 2개의 극값정보를 감산하는 제 1 연산수단과 상기 제 1 연산수단의 출력값과 상기 분리수단에서 분리된 거리정보와의 제산을 행하는 제 2 연산수단과 상기 비교수단에서 분리된 극값정보와 제 2 연산수단의 제산치를 입력으로 하여 재생데이타를 만드는 보간수단과 상기 보간수단의 출력데이타를 아날로그신호로 변환시켜주는 D/A변환수단과, 상기 D/A변환수단의 출력신호를 스므드(smooth)하게 하기 위한 제 2 필터수단으로 구성됨을 특징으로 하는 파형부호화/복호화 장치.
입력된 아날로그신호를 최소표본화율로 샘플링하고 일정준위로 양자화하여 부호화하고 이부호화된 신호중 매샘플마다 연속적인 3개의 샘플크기를 비교하여 극값(p(k))을 찾아내고, 극값(p(k))과 극값(p(k))간의 거리(샘플수 : d(k))를 계산하여 연속된 두 극값간의 차신호(App(k))와 나눔으로써 스텝크기(st(k))를 정하고, 극값정보(p(k))와 거리정보(d(k)) 및 스텝크기정보(APP(K))를 이용하여 p(k-1)+[d(k)·st(k)]에 의해 재생파형으로 복원함을 특징으로 하는 파형부호화/복호화 방법.