KR970011723B1 - 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서 순음성분 검출회로 - Google Patents
디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서 순음성분 검출회로 Download PDFInfo
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Abstract
내용없음
Description
제1도는 일반적인 디지탈 오디오 데이타 부호화장치를 나타낸 블럭도.
제2도는 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서 본 발명에 의한 순음성분 검출회로를 나타내기 위한 청각모델의 상세 블럭도.
제3도는 제2도에 도시된 국부최대값 계산부의 상세 회로도.
제4도는 제2도에 도시된 순음/비순음 검출부의 상세 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31,32,33,41,42,43 : 레지스터,34,35,45 : 비교기,
36 : 앤드게이트,37,46 : 인덱스 부가부,
44 : 감산기.
본 발명은 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 관한 것으로서, 특히 인간의 청각특성을 이용하여 마스킹 문턱치를 구하는 과정에 있어서 순음성분을 신속하게 검출하기 위한 순음성분 검출회로에 관한 것이다.
오디오 기기는 최근의 디지탈 신호처리기술의 발달에 힘입어 기존의 아날로그 오디오신호를 기록/재생하는 LP 등의 기기에서 디지탈 오디오신호를 기록/재생하는 CD와 DAT 등의 기기로의 이행이 촉진되고 있다.
오디오신호를 디지탈 방식으로 처리하게 되면 아날로그 방식에 비하여 음질이 향상되는 효과가 있는 반면에, 기존의 아날로그 방식에 비해 데이타량이 증대하는 역효과가 있다.
이러한 문제는 최근 ISO에 의해 표준화작업이 진행되고 있는 MPEG의 오디오나, DCC, MD 등에서 처럼 인간의 청각특성을 고려하여, 인간이 인지할 수 없는 성분을 선별적으로 제거하고, 인지할 수 있는 성분에는 양자화비트수를 적응적으로 할당함에 의해 경감될 수 있다.
인간의 청각특성을 고려한 오디오 데이타 부호화방식에서는 부호화시의 주된 목표를 발생된 잡음을 제거하는 것에 두는 것이 아니라, 잡음을 듣지 못하게 처리하는 것에 두며, 마스킹 효과(masking effect)와 임계대역(critical bands) 등을 고려하여 신호의 중요도에 따라 양자화 비트수를 적응적으로 할당한다.
여기서 마스킹 효과는 예를 들면, 전철역에서 옆의 사람과 대화할때 전철이 통과하지 않을때는 작은 소리로도 대화할 수 있지만 전철이 통과할 때에는 같은 크기의 작은 소리로는 대화할 수 없게 되는 현상에서 관찰되는 바와 같이, 다른 소리에 의해 듣고 싶은 음이 방해되어 듣기 어렵게 되거나 전혀 들을 수 없게 되는 현상을 말한다. 한편, 임계대역은 신호와 잡음의 주파수와 신호전력이 유사한 경우 주파수영역에서의 신호와 잡음의 톤(tone)을 서로 구분할 수 없게 되는 주파수대역을 말한다. 인간의 청각특성을 이용한 오디오 데이타 부호화방식에는 인간의 청각특성들 가운데 특히 마스킹 효과를 고려하여 부호화를 행한다.
입력신호들간의 상호작용에 의해 변화하며, 인간이 들어도 느끼지 못하는 신호의 최소크기인 "마스킹 문턱치(Masking Threshold)"를 구하여, 느끼지 못하는 신호에는 양자화비트를 할당하지 않고, 느끼는데 중요한 역할을 하는 신호에는 적응적으로 양자화비트들을 할당해 줌으로써 오디오 데이타의 압축효과를 얻게 한다.
입력신호와, 입력신호에 의해 마스킹된 신호를 가지고서 인간이 느끼는데 중요한 역할을 하는 신호를 찾는 척도로는 여러가지가 제안되어져 있으나, 대표적인 것으로는 양자화에 따른 잡음비와 마스크된 문턱치와의 비인 NMR(noise to mask ratio)이 있다. 이 NMR은 각 대역에서의 오차잡음과 마스크된 문턱치와의 거리를 나타낸다.
제1도는 일반적인 디지탈 오디오 데이타 부호화장치의 개략적인 블럭도이다.
제1도에 있어서, 한 프레임(1152샘플)의 입력 디지탈 오디오 데이타는 분할대역필터(Subband Analysis Filter; 11)로부터 32개의 균일한 주파수대역으로 분리된다. 여기서 분할대역필터(11)는 통상 변조된 QMF(Quadrature Mirror Filter)로 구성된다. 따라서 각 대역의 한 프레임 동안의 데이타는 36샘플이 된다.
512개의 계수를 갖는 분할창(Analysis Window)를 h(n)이라 하면, 입력신호 x(n)이 분할창을 거친 후 같은 위상의 성분끼리 모아져 변형된 코사인 변환을 통한 분할과정은 다음 제(1)식 내지 제(3)식과 같다.
Z(n)=h(n)x(n), n=0,…,511……………………………(1)
제(3)식에서 i번째 분할대역신호 Si는 한 프레임 동안 36개의 신호에 해당하고 이 신호는 12개의 샘플씩 세개의 블럭으로 분할되어 부호화된다. 청각모델(12)에서 입력신호 x(n), n=1,…,1152에 대한 청각 파라미터를 구하는 과정은 다음과 같다.
입력신호의 전력밀도 스펙트럼을 예측하는 과정에서 주파수선택도(frequency resolution)와 누수현상(leakage effect)을 고려하여 다음 제(4)식과 같은 해닝창(hanning window)을 이용하고, 1024-포인트 FFT를 적용하기 위하여 다음 제(5)식과 같이 프레임 양 끝 64샘플은 취하지 않고 구한 예측된 전력밀도 스펙트럼 X(k)는 다음 제(6)식과 같다.
예측된 전력밀도 스펙트럼 X(k)에서 주변의 스펙트럼보다 크기가 현저히 큰 스펙트럼을 순음성분으로 간주하여, 순음성분의 SPL(Sound Pressure Level)은 다음 제(7)식과 같이 구한다.
Xtm(k)=X(k-1)+X(k)+X(k+1)dB ……………………………(7)
임계대역 주파수 구간을 고려하여 i번째 임계대역에 대한 비순음성분의 SPL은 순음성분을 제외한 주파수 스펙트럼으로부터 다음 제(8)식과 같이 구한다.
제(8)식에서 ki,l과 ki,u는 i번째 임계대역 구간의 저역 차단주파수 및 고역 차단주파수에 해당하는 각각의 주파수 성분이다. j번째 마스커에 의한 i번째 임계대역에서의 모델링된 자극함수를 vf(i,j)라 하고, 순음성분과 비순음성분에는 대한 보정함수를 각각 avtm(i), avnm(i)라 할때, 순음, 비순음성분의 j번째 마스커(마스킹하는 신호)에 의한 i번째 임계대역에서의 마스커 문턱치 함수 LTtm(i,j), LTnm(i,j)를 다음 제(9)식과 제(10)식으로 구할 수 있다.
LTtm(i,j)=Xtm(i)+avtm(i)+vf(i,j)dB………………………(9)
LTnm(i,j)=Xnm(i)+avtm(i)+vf(i,j)dB………………………(10)
제(9)식과 제(10)식에서 avtm(j) 및 avnm(j)는 다음 제(11)식과 제(12)식으로 주어지는 보정함수이다.
avtm(j)=-1.525-0.275·Z(j)-4.5(dB)………………………(11)
avnm(j)=-1.525-0.175·Z(j)-0.5(dB)………………………(12)
제(11)식과 제(12)식의 Z(j)는 j번째 마스커의 바크(bark) 주파수이다.
무신호시 i번째 임계대역에서의 마스킹 문턱치를 LTq(i)라 하면 순음, 비순음성분의 모든 마스커들에 의한 i번째 임계대역의 마스킹 문턱치, LTg(i)는 다음 제(13)식과 같이 계산된다.
제(13)식에서 m은 순음 마스커의 수, n은 비순음 마스커의 수에 해당한다.
각 분할대역에서의 마스킹 문턱치를 임계대역 구간에 해당하는 마스킹 문턱치들로부터 다음 제(14)식과 같이 각 분할대역 구간에 속하는 값들중 최소값을 선정하여 구할 수 있다.
LTmin(n)=MIN[LTg(i)]dB, i∈BW(n)……………………(14)
제(14)식에서 BW(n)은 n번째 분할대역의 주파수 구간이다. n번째 분할대역에서 부호화시 필요한 신호대 잡음비(신호 대 마스킹 문턱치비) SMRsb(n)은 다음 제(15)식과 같이 구할 수 있다.
SMRsb(n)=Lsb(n)-LTmin(n)dB…………………………(15)
비트할당 제어부(13)에서는 청각모델(12)에서 추출된 청각파라미터에 따라서 분할대역필터(11)에서 출력되는 각 분할대역신호에 대하여 적응적으로 비트를 할당한다.
양자화부(14)에서는 비트할당 제어부(13)에 의해 할당되는 비트수에 따라 최적의 양자화 간격을 설정하고, 각 분할대역신호를 상기 양자화 간격으로 양자화하여 비트 스트림으로 출력한다.
그러나 상기 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에서는 마스킹 문턱치를 구하는 과정이 전체 실행과정 중 많은 부분을 차지하며, 통상 DSP 등의 프로세서를 사용하기 때문에 순차적인 실행결과로 인하여 많은 사이클을 필요로 한다. 이 과정 중, 순음성분을 검출하는 과정 역시 많은 사이클을 필요로 하기 때문에 전체적인 실행속도가 떨어지고, 주문형 칩(ASIC)화 하기가 부적합한 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서, 순음성분을 신속하게 검출하기 위한 순음성분 검출회로를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 순음성분 검출회로는 입력 디지탈 오디오 데이타를 N개의 주파수대역으로 분할하는 분할대역필터와, 인간의 청각특성을 이용하여 상기 디지탈 오디오 데이타에 대하여 청각파라미터를 추출하는 청각모델과, 상기 청각파라미터에 따라서 상기 분할대역신호에 대하여 비트를 할당하는 비트할당 제어부와, 상기 비트할당 제어부에 의해 할당되는 비트수에 따라 설정된 양자화 간격으로 상기 분할대역신호를 양자화하는 양자화부를 구비한 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서, 상기 청각모델에서 고속 퓨리에 변환되어 출력되는 현재 신호의 전력밀도 스펙트럼이 이전 및 이후 신호의 전력 밀도 스펙트럼보다 큰 경우 국부최대값으로 판단하기 위한 국부최대값 판단부 ; 및 상기 국부최대값 판단부에 의해 국부최대값으로 판단된 신호와 상기 고속 퓨리에 변환에 의해 생성되는 복수개의 샘플신호를 쉬프트하면서 비교하여, 그 차이가 7dB 이상인 경우 순음성분으로 검출하기 위한 순음/비순음 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
제2도는 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서 본 발명에 의한 순음성분 검출회로를 나타내기 위한 청각모델의 상세블럭도로서, 우선 청각모델(제1도의 12)는 고속 퓨리에 변환부(FFT;21), 국부최대값 판단부(22), 순음/비순음 검출부(23), 개별 마스킹 문턱치 계산부(24), 절대 마스킹 문턱치 테이블(25), 마스킹 문턱치 계산부(26)와 SMR 계산부(26)로 구성된다. 여기서 국부최대값 판단부(22)와 순음/비순음 검출부(23)가 본 발명에 의한 순음성분 검출회로(28)에 속한다. 한편, 고속 퓨리에 변환부(21), 개별 마스킹 문턱치 계산부(24), 절대 마스킹 문턱치 테이블(25), 마스킹 문턱치 계산부(26)와 SMR 계산부(27)는 공지요소이다.
제3도는 제2도에 도시된 국부최대값 계산부(22)의 상세 회로도로서, 전력밀도 스펙트럼 X(k+1), X(k), X(k-1)를 저장하는 레지스터(31,32,33)와, X(k+1)과 X(k)을 비교하여 X(k)가 X(k+1) 보다 크거나 같은 경우 '하이'논리레벨을 출력하는 제1비교기(34)와, X(k)과 X(k-1)을 비교하여 X(k)가 X(k-1)보다 큰 경우 '하이'논리레벨을 출력하는 제2비교기(35)와, 제1비교기(34)의 출력신호와 제2비교기(35)의 출력신호에 대하여 논리곱을 수행하는 앤드게이트(36)와, 앤드게이트(36)에서 '하이'논리레벨을 출력하게 하는 전력밀도 스펙트럼을 국부최대값으로 판단하고, 국부최대값에 해당하는 인덱스를 부가하는 인덱스 부가부(37)로 이루어진다.
제4도는 제2도에 도시된 순음/비순음 검출부(23)의 상세 회로도로서, 국부최대값 판단부(제2도의 22)에 의해 판단된 국부최대값을 해당하는 인덱스 데이타를 저장하는 레지스터(41)와, 고속 퓨리에 변환에 의해 생성되는 복수개의 샘플신호를 쉬프트하는 복수개의 레지스터(42,43)와, 인덱스 데이타를 쉬프트하는 주변 데이타들과 감산하는 감산기(44)와, 감산기(44)의 감산결과가 7dB 이상인지를 판단하는 비교기(45)와, 비교기(45)에서의 판단결과, 7dB 이상이면 순음성분에 해당하는 인덱스를 부가하는 인덱스 부가부(46)로 이루어진다.
그러면 제2도 내지 제4도를 참조하여 본 발명에 의한 순음성분 검출회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제3도에 있어서, 전력밀도 스펙트럼 X(k)는 다음 제(16)식과 같은 조건을 만족하면 국부최대값(local maxima)으로 설정한다.
X(k)>X(k-1) and X(k) ≥ X(k+1)…………………………(16)
이를 위해, 제1비교기(34)에서는 X(k+1)과 X(k)을 비교하여 X(k)가 X(k+1) 보다 크거나 같은 경우 '하이'논리레벨을 출력하고, 제2비교기(35)에서는 X(k)과 X(k-1)을 비교하여 X(k)가 X(k-1) 보다 큰 경우 '하이'논리레벨을 출력한다.
앤드게이트(36)에서는 제1비교기(34)의 출력신호와 제2비교기(35)의 출력신호에 대하여 논리곱을 수행하고, 그 결과가 '하이'논리레벨이면 국부최대값으로 판단하여 인덱스 부가부(37)에서 해당하는 인덱스를 부가하여 순음/비순음 검출부(제2도의 23)로 출력한다.
X(k)-X(k+j) ≥7dB………………………………………………(17)
이면, X(k)는 순음성분으로 설정한다. 단, 여기서 j는 k값에 따라 다음과 같이 가변적이다.
j=-2, +2 for 2<k<63
j=-3, -2, +2, +3 for 63≤k<127
j=-6,…,-2,+2,…,+6for 127≤k<255
j=-12,…,-2,+2,+12for 255≤k≤500
즉, 제(16)식에 의해 판단된 국부최대값에 해당하는 인덱스 데이타를 별도로 레지스터(RT ; 41)에 저장해 두고, 감산기(44)에서 이 인덱스 데이타를 다른 경로의 레지스터(42,43)를 통해 쉬프트되는 주변 데이타들과 감산하고, 비교기(45)에서 감산기(44)의 감산결과가 7dB 이상인지를 판단한다. 비교기(45)에서의 판단결과, 7dB 이상이면 순음성분임을 나타내므로 인덱스 부가부(46)에서 순음성분에 해당하는 인덱스를 부가하여 후단으로 출력한다.
상술한 바와 같이 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서 본 발명에 의한 순음성분 검출회로에서는 청각모델에 있어서 고속 퓨리에 변환에 의해 생성되는 512샘플을 쉬프트하면서 한번만에 순음성분을 검출할 수 있으므로 종래의 순차적인 프로그램에 의해 순음성분을 검출하는 것보다 고속처리가 가능할 뿐 아니라 ASIC화 하기가 용이한 이점이 있다.
Claims (3)
- 입력 디지탈 오디오 데이타를 N개의 주파수 대역으로 분할하는 분할대역필터와, 인간의 청각특성을 이용하여 상기 디지탈 오디오 데이타에 대하여 청각파라미터를 추출하는 청각모델과, 상기 청각파라미터에 따라서 상기 분할대역신호에 대하여 비트를 할당하는 비트할당 제어부와, 상기 비트할당 제어부에 의해 할당되는 비트수에 따라 설정된 양자화 간격으로 상기 분할대역신호를 양자화하는 양자화부를 구비한 디지탈 오디오 데이타 부호화장치에 있어서, 상기 청각모델에서 고속 퓨리에 변환되어 출려되는 현재 신호의 전력밀도 스펙트럼이 이전 및 이후 신호의 전력밀도 스펙트럼보다 큰 경우 국부최대값으로 판단하기 위한 국부최대값 판단부(22) ; 및 상기 국부최대값 판단부에 의해 국부최대값으로 판단된 신호와 상기 고속 퓨리에 변환에 의해 생성되는 복수개의 샘플신호를 쉬프트하면서 비교하여, 그 차이가 7dB 이상인 경우 순음성분으로 검출하기 위한 순음/비순음 검출부(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 순음성분 검출회로.
- 제1항에 있어서, 상기 국부최대값 판단부는 전력밀도 스펙트럼 X(k), X(k-1), X(k+1)를 저장하기 위한 복수개의 레지스터(31,32,33) ; 상기 X(k+1)과 X(k)을 비교하여 X(k)가 X(k+1) 보다 크거나 같은 경우 '하이'논리레벨을 출력하기 위한 제1비교기(34) ; 상기 X(k)과 X(k-1)을 비교하여 X(k)가 X(k-1) 보다 큰 경우 '하이'논리레벨을 출력하기 위한 제2비교기(35) ; 상기 제1비교기의 출력신호와 상기 제 2 비교기의 출력신호에 대하여 논리곱을 수행하기 위한 앤드게이트(36), 및 상기 앤드게이트에서 '하이'논리레벨을 출력하게 하는 전력밀도 스펙트럼을 국부최대값으로 판단하고, 국부최대값에 해당하는 인덱스를 부가하여 상기 순음/비순음 검출부로 출력하기 위한 인덱스 부가부(37)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 순음성분 검출회로.
- 제1항에 있어서, 상기 순음/비순음 검출부는 상기 국부최대값 판단부에 의해 판단된 국부최대값에 해당하는 인덱스 데이타를 저장하기 위한 레지스터(41) ; 상기 고속 퓨리에 변환에 의해 생성되는 복수개의 샘플신호를 쉬프트하기 위한 복수개의 레지스터(42,43) ; 상기 인덱스 데이타를 상기 쉬프트되는 주변 데이타들과 감산하기 위한 감산기(44) ; 상기 감산기의 감산결과가 7dB 이상인지를 판단하기 위한 비교기(45) ; 및 상기 비교기에서의 판단결과, 7dB 이상이면 순음성분에 해당하는 인덱스를 부가하기 위한 인덱스 부가부(46)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 순음성분 검출회로.
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| KR960027362A (ko) | 1996-07-22 |
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