NL8700985A - Systeem voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal. - Google Patents

Description

ΡΗΝ 12.108 1 Μ '"is.

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Systeem voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal"

De uitvinding heeft betrekking op een digitaal systeem met een coder en een decoder voor sub-band codering van een digitaal audio-signaal van gegeven bemonsterfrequentie 1/T, waarbij de coder is voorzien van: 5 - analysefiltermiddelen voor het in responsie op het audiosignaal opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de audiosignaalband volgens de kwadratuur-spiegel filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1<p<P) die 10 toenemen met de frequentie, waarbij de bandbreedte en de bemonsterfrequentie voor elke sub-band een geheel submultipel van 1/(2T) repectievelijk 1/T zijn en de bandbreedten van de sub-banden bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebereiken, 15 - middelen voor het in responsie op elk van de sub-band signalen bepalen van een karakteristieke parameter G(p;m) die representatief is voor het signaalniveau in een blok met een voor elke sub-band zelfde aantal van H signaalmonsters, waarbij m het bloknummer is, middelen voor het in responsie op de respectieve karakteristieke 20 parameters G(p;m) bloksgewijs adaptief kwantiseren van de respectieve sub-band signalen; en waarbij de decoder is voorzien van: middelen voor het in responsie op de respectieve karakteristieke parameters G(p;m) bloksgewijs adaptief dekwantiseren van de 25 gekwantiseerde sub-band signalen, synthesefiltermiddelen voor het in responsie op de gedekwantiseerde sub-band signalen construeren van een replica van het digitale audiosignaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens de kwadratuur-spiegel filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging 30 samenvoegen tot de audiosignaalband.

Een systeem voor sub-band codering met een dergelijke structuur is bekend uit het artikel "The Critical Band Coder — Digital 6 ? C : * PHN 12.108 2

Encoding of Speech Signals Based on the Perceptual Requirements of the Auditory System" van M.E. Krasner in Proc. IEEE ICASSP 80, Vol.1, pp. 327-331, April 9-11, 1980.

In dit bekende systeem is gebruik gemaakt van een 5 opdeling van de spraaksignaalband in een aantal sub-banden, waarvan de bandbreedten bij benadering correponderen met de bandbreedten van de kritieke banden van het menselijk oor in de respectieve frequentiegebieden (vergelijk Fig. 2 in het artikel van Krasner). Deze opdeling is gekozen omdat op grond van psycho-akoestische experimenten 10 verwacht mag worden dat de kwantiseringsruis in een dergelijke sub-band optimaal gemaskeerd zal worden door de signalen in deze sub-band wanneer bij de kwantisering rekening wordt gehouden met de ruis-maskeringskromme van het menselijk oor (deze kromme geeft de drempelwaarde voor het maskeren van ruis in een kritieke band door een enkele toon in het 15 midden van de kritieke band, vergelijk Fig. 3 in het artikel van Krasner).

In het geval van een digitaal muzieksignaal van hoge kwaliteit, dat overeenkomstig de Compact Disc standaard wordt gerepresenteerd met 16 bits per signaalmonster bij een 20 bemonsterfrequentie 1/T = 44,1 kHz, blijkt dat de toepassing van deze bekende sub-band codering met een geschikt gekozen bandbreedte en een geschikt gekozen kwantisering voor de repectieve sub-banden resulteert in gekwantiseerde uitgangssigalen van de coder die met een gemiddeld aantal van ongeveer 2,5 bits per signaalmonster kunnen worden 25 gerepresenteerd, terwijl de kwaliteit van de replica van het muzieksignaal niet waarneembaar verschilt van die van het originele muzieksignaal in vrijwel alle passages van vrijwel alle soorten muzieksignalen. Echter, in bepaalde passages van sommige soorten muzieksignalen is de kwantiseringsruis toch nog hoorbaar. De 30 hoorbaarheid van de kwantiseringsruis kan worden verminderd door het aantal kwantiseringsniveaus te vergroten, maar dit houdt in dat dan tevens het gemiddelde aantal bits per monster van de gekwantiseerde uitgangssignalen van de coder wordt vergroot.

De uitvinding beoogt nu een digitaal systeem van het in 35 de aanhef vermelde type te verschaffen voor sub-band codering van audiosignalen van hoge kwaliteit, waarin de hoorbaarheid van kwantiseringsruis in de replica van de audiosignalen op effectieve wijze £ j 0 h r' · =-‘ PHN 12.108 3 ft wordt verminderd zonder het gemiddelde aantal bits per monster van de gekwantiseerde uitgangssignalen van de coder te vergroten.

Het digitale systeem voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat 5 - de respectieve kwantiseermiddelen in de coder en de respectieve dekwantiseermiddelen in de decoder voor elk van de sub-banden met een bandnummer p kleiner dan p^B zijn ingericht voor het met een vast aantal van B(p) bits kwantiseren respectievelijk dekwantiseren van de sub-band signalen, waarbij de sub-band met bandnummer p^m 10 gelegen is in het deel van de audiosignaalband met de laagste drempelwaarden voor het maskeren van ruis in kritieke banden van het menselijk oor door enkele tonen in het midden van de respectieve kritieke banden, de coder en de decoder elk verder zijn voorzien van bitallocatie-15 middelen die in responsie op de respectieve karakteristieke parameters G(p;m) van de sub-banden met een bandnummer p niet kleiner dan p^B binnen een allocatieraam met een tijdsduur gelijk aan de bloklengte voor de sub-band met bandnummer p^m een aantal van B(p;n) bits uit een voor het allocatieraam voorgeschreven vast 20 totaal aantal van B bits toewijzen aan de respectieve kwantiseermiddelen in de coder respectievelijk de respectieve dekwantiseermiddelen in de decoder voor het blok met bloknummer m van de signalen van de sub-band met bandnummer p, welke bitallocatiemiddelen elk bevatten: 25 - comparatormiddelen voor het binnen elk allocatieraam vergelijken van de karakteristieke parameters G(p;a) met respectieve drempelwaarden T(p) voor de sub-banden met bandnummer p en voor het opwekken van respectieve binaire comparatiesignalen G(p;m) met een eerste waarde C(p;m)=*1* voor een parameter G(p;ra) niet 30 kleiner dan drempelwaarde T(p) en een tweede waarde C(p;m)="0" in het tegengestelde geval, welke drempelwaarden T(p) gerelateerd zijn aan de drempelwaarden voor het nog juist waarnemen van enkele tonen door het menselijk oor, - middelen voor het opslaan van een voorgeschreven 35 allocatiepatroon {B(p)> van aantallen van B(p) kwantiseringsbits voor sub-banden met respectieve bandnummers p, welke aantallen B(p) gerelateerd zijn aan de drempelwaarden voor het maskeren —m * f * f' «"c ··' t' i' ’ ί

A

PHN 12.108 4 van ruis in kritieke banden van het menselijk oor door enkele tonen in het midden van de respectieve kritieke banden, - middelen voor het in responsie op het opgeslagen allocatiepatroon (B(p)> en de respectieve karakteristieke 5 parameters G(p;m) en comparatiesignalen C(p;m) bepalen van een allocatiepatroon {B(p;m)> van respectieve aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits voor het blok met bloknummer m van de signalen van de sub-band met bandnummer p, welk allocatiepatroon {B(p;m)} gelijk is aan het opgeslagen allocatiepatroon (B(p)} indien alle 10 comparatiesignalen C(p;m) binnen een allocatieraam genoemde eerste waarde C(p;ffl)=T hebben en welk allocatiepatroon (B(p;m)} in het tegengestelde geval gevormd wordt door aan blokken binnen een allocatieraam met een comparatiesignaal van genoemde tweede waarde C(p;m)*=“0" geen kwantiseringsbits toe te 15 kennen en de som S van de binnen een allocatieraam voor laatstgenoemde blokken beschikbare aantallen van B(p) kwantiseringsbits in het opgeslagen allocatiepatroon (B(p)} toe te wijzen aan de blokken binnen een allocatieraam met een comparatiesignaal van genoemde eerste waarde C(p;m)="r en met 20 de grootste waarden van karakteristieke parameter G(p;m) voor het verkrijgen van aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits die groter zijn dan de corresponderende aantallen van B(p) kwantiseringsbits in het opgeslagen allocatiepatroon {B(p)>, - middelen voor het toevoeren van het aldus bepaalde 25 allocatiepatroon {B(p;m)> aan de respectieve kwantiseermiddelen in de coder respectievelijk de respectieve dekwantiseermiddelen in de decoder.

De maatregelen volgens de uitvinding berusten op het inzicht dat de kwantiseringsruis vooral hoorbaar is in muziekpassages 30 met enkele tonen. Tijdens dergelijke passages bevat het merendeel van de sub-banden vanaf het middenfrequente audiogebied zeer weinig of geen signaalenergie, terwijl in elk van de weinige resterende sub-banden slechts één spectrale component met significante signaalenergie aanwezig is. Indien deze spectrale component in de omgeving van de onder-35 of bovengrens van de sub-band ligt, komt de kritieke band van het menselijk oor voor deze spectrale component niet overeen met de sub-band. De kwantiseringsruis is echter wel over de gehele sub-band 8 7 0 P 9 ?· 5 * 4, PHN 12.108 5 verdeeld, zodat de kwantiseringsruis buiten de kritieke band voor deze spectrale component niet wordt gemaskeerd, zulks in tegenstelling tot het geval dat verschillende spectrale componenten met significante energie aanwezig zijn in de sub-band of in aangrenzende sub-banden en de 5 onderling overlappende kritieke banden voor de verschillende spectrale componenten de kwantiseringsruis afdoende maskeren. Overeenkomstig de uitvinding worden nu geen kwantiseringsbits toegekend aan blokken van sub-band signalen binnen een allocatieraam die geen of zeer weinig signaalenergie bevatten, en worden de aldus "bespaarde* 10 kwantisteringsbits benut voor het fijner kwantiseren van de blokken van sub-band signalen binnen hetzelfde allocatieraam die wel significante signaalenergie bevatten, beginnend bij het blok met de hoogste signaalenergie en eindigend wanneer het aantal resterende "bespaarde" kwantiseringsbits niet meer voldoende is voor een verdere verfijning van 15 de kwantisering of wanneer alle blokken met significante signaalenergie voldoende fijn gekwantiseerd zijn. Het totaal aantal kwantiseringsbits voor het allocatieraam wordt niet gewijzigd en de herallocatie van eventueel "bespaarde* kwantiseringsbits geschiedt in responsie op de karakteristieke parameters die de signaalenergie in een blok 20 representeren en die reeds beschikbaar zijn in zowel de coder als ook de decoder. De verfijnde kwantisering tijdens muziekpassages met enkele tonen resulteert aldus in effectieve vermindering van de hoorbaarheid van kwantiseringsruis zonder dat daartoe het gemiddelde aantal kwantiseringsbits per monster van de uitgangssignalen van de coder 25 behoeft te worden vergroot. Uit uitvoerige luistertests met sterk uiteenlopende soorten muzieksignalen blijkt dat dankzij de maatregelen volgens de uitvinding over het algemeen geen kwantiseringsruis meer hoorbaar is tijdens muziekpassages met enkele tonen.

De nog slechts sporadisch voorkomende gevallen van 30 hoorbare kwantiseringsruis blijken overwegend betrekking te hebben op muziekpassages met sterke inzetten van het muzieksignaal, waarbij in vrijwel alle sub-banden de signaalenergie plotseling sterk verandert.

In een voorkeursuitvoering van het onderhavige systeem voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal kan ook de hoorbaarheid van de 35 kwantiseringsruis tijdens muziekpassages met sterke inzetten op effectieve wijze worden verminderd doordat de bitallocatiemiddelen in de coder en de decoder tevens middelen bevatten die in responsie op 87 0 0 E-9 5 * PHN 12.108 6 opeenvolgende karakteristieke parameters G(p;m) en G(p;m+1) van elke sub-band met bandnummer p groter dan p£m: geen kwantiseringsbits toekennen aan blok (p;m+1) en de voor dit blok beschikbare aantallen van B(p;m+1) kwantiseringsbits toevoegen 5 aan de genoemde som S, indien de verhouding Q=G(p;m)/G(p;m+1) groter is dan een voorgeschreven waarde R(p) in de orde van grootte van 102 èn blok (p;m+1) binnen het allocatieraam ligt; geen kwantiseringsbits toekennen aan blok (p;m) en de voor dit blok beschikbare aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits toevoegen aan de 10 genoemde som S, indien de verhouding Q=G(p;m)/G(p;m+1) kleiner is dan de waarde 1/R(p) èn blok (p;m) binnen het allocatieraam ligt. Deze maatregelen maken gebruik van het psycho-akoestische effect van de temporele maskering, dat wil zeggen de eigenschap van het menselijk oor dat de drempelwaarde voor het waarnemen van signalen kort voor en kort 15 na het optreden van een ander signaal met relatief hoge signaalenergie tijdelijk hoger blijkt te zijn dan tijdens de afwezigheid van laatstgenoemd signaal. In het bijzonder worden bij deze voorkeursuitvoering geen kwantiseringsbits toegekend aan blokken met relatief lage signaalenergie die optreden kort voor en kort na het 20 optreden van blokken met relatief hoge signaalenergie, en worden de aldus "bespaarde" kwantiseringsbits benut voor het fijner kwantiseren van deze blokken met relatief hoge signaalenergie en het aldus verminderen van de kwantiseringsruis tijdens deze blokken, terwijl het niet toekennen van kwantiseringsbits aan aangrenzende blokken met 25 relatief lage signaalenergie toch niet resulteert in hoorbare vervorming dankzij de temporale maskering door het menselijk oor.

De uitvinding en de daarmede bereikte voordelen zullen thans worden toegelicht in de navolgende beschrijving van een uitvoeringvoorbeeld aan de hand van de tekening. Daarbij toont: 30 Fig. 1: een blokschema van een digitaal systeem voor sub- band codering van een digitaal audiosignaal overeenkomstig de uitvinding;

Fig. 2A: een schema van een reeks bandsplitsingen en bandherenigingen dat kan worden toegepast in de filterbanken van het systeem van Fig. 1, 35 Fig. 2B: een blokschema van een bandsplitsing en een

bandhereniging volgens de kwadratuur-spiegel foltermethode en Fig. 2C: de frequentieresponsie van de in Fig. 2B

" * * PHN 12.108 7 gebruikte filters;

Fig. 3: een tabel iet gegevens omtrent de sub-banden die verkregen zijn bij toepassing van het schema in Fig. 2A op een muzieksignaalband van 0-22,05 kHz; 5 Fig. 4: een frequentiediagram om kwalitief toe te lichten hoe kwantiseringsruis soms hoorbaar wordt tijdens muziekpassages met enkele tonen;

Fig. 5: een voorbeeld van een allocatieraam dat overeenkomstig de uitvinding wordt gebruikt voor toewijzing van 10 kwantiseringsbits in responsie op signaalniveauparameters van sub-band signalen;

Fig. 6: een blokschema van bitallocatiemiddelen in het systeem van Fig. 1 die overeenkomstig de uitvinding zijn ingericht;

Fig. 7: een blokschema van een signaalprocessor die in de 15 bitallocatiemiddelen van Fig. 6 kan worden toegepast;

Fig. 8 en Fig. 9: een stroomschema van een mogelijke programma-routine voor een module van de signaalprocessor in Fig. 7;

Fig. 10: een tabel met gegevens omtrent een rangschikking van kwantiseringsmogelijkheden die in het stroomschema van Fig. 9 wordt 20 benut;

Fig. 11: een stroomschema van een mogelijke programma-routine voor een extra module van de signaalprocessor in Fig. 7 die bij een voorkeursuitvoering van de sub-band codering volgens de uitvinding kan worden toegepast; en 25 Fig. 12: een blokschema van een kwantisator en een bijbehorende dekwantisator voor een sub-band, waarin gebruik is gemaakt van kwantisering die is geoptimaliseerd voor kansdichtheidsfuncties.

In Fig. 1 is een vereenvoudigd functioneel blokschema weergegeven van een digitaal systeem met een coder 1 en een decoder 2 30 voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal van gegeven bemonsterfrequentie 1/T. De basisstructuur van een dergelijk systeem is algemeen bekend, vergelijk het bovengenoemde artikel van Krasner en het hoofdstuk "Sub-Band Coding* in het boek "Digital Coding of Waveforms" van N.S. Jayant en P. Noll, Prentice-Hall, Inc., Engelwood Cliffs, New 35 Jersey, 1984, pp. 486-509. Deze basisstructuur zal nu worden beschreven aan de hand van Fig. 1 voor het geval van een digitaal muzieksignaal van hoge kwaliteit dat overeenkomstig de Compact Disc standaard wordt 8 7 0 0 s 8 ^ PHN 12.108 8 gepresenteerd met 16 bits per signaalmonster bij een bemonsterfrequentie 1/T =44,1 kHz. In deze beschrijving worden digitale signalen op conventionele wijze genoteerd, waarbij x(k) een gekwantiseerd signaalmonster van signaal x(t) op tijdstip t=kTs aanduidt en de 5 relevante bemonsterfrequentie 1/TS uit de context blijkt.

In coder 1 wordt een muzieksignaal x(k) met een bemonsterfrequentie 1/Tg = 1/T = 44,1 kHz toegevoerd aan een analysefilterbank 3 die de muzieksignaalband van 0-22,05 kHz volgens de kwadratuur-spiegel filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging 10 opdeelt in een aantal van P=26 sub-banden met bandnummers p (1iPiP=26) die toenemen met de frequentie. Voor elke sub-band is de bandbreedte W(p) een geheel submultipel van de bandbreedte 1/(2T)=22,05 kHz van de muzieksignaalband en de bemonsterfrequentie 1/Ts(p) is gelijk aan hetzelfde submultipel van de bemonsterfrequentie 15 1/T=44,1 kHz van muzieksignaal x(k) aan de ingang van filterbank 3. In responsie op dit muzieksignaal x(k) wekt filterbank 3 een aantal van P=26 sub-band signalen xp(k) op die bloksgewijs worden gekwantiseerd, waarbij het signaalblok voor elke sub-band een zelfde aantal van M=32 signaalmonsters omvat. Na overdracht via en/of opslag in een medium 4 20 worden de gekwantiseerde sub-band signalen sp(k) in decoder 2 bloksgewijs gedekwantiseerd en de resulterende gedekwantiseerde sub-band signalen kp(k) worden toegevoerd aan een synthesefilterbank 5. De in filterbank 3 van coder 1 verkregen sub-banden worden in deze synthesefilterbank 5 samengevoegd tot de muzieksignaalband van 0-22,05 25 kHz volgens de kwadratuur-spiegel filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging. Aldus construeert filterbank 5 een replica k(k) van het oorspronkelijke muzieksignaal x(k).

Voor de kwantisering van de sub-band signalen xp(k) wordt gebruik gemaakt van bekende blok-adaptieve PCM-methoden. Daartoe 30 bevat coder 1 van elke sub-band een signaalbuffer 6(p), waarin een signaalblok van M=32 monsters tijdelijk wordt opgeslagen. Op elke signaalbuffer 6(p) is een niveaudetector 7(p) aangesloten om voor elk opgeslagen blok met bloknummer m een karakteristieke parameter G(p;m) te bepalen die representatief is voor het signaalniveau in dit blok. Deze 35 karateristieke parameter G(p;m) wordt gebruikt om een adaptieve kwantisator 8(p) optimaal in te stellen voor het kwantiseren van het opgeslagen signaalblok met bloknummer m. Het aldus verkregen blok van 8700 :*· % PHN 12.108 9 gekwantiseerde sub-band signaalmonsters sp(k) wordt in decoder 2 toegevoerd aan een adaptieve dekwantisator 9(p) die eveneens wordt ingesteld door karaktteristieke parameter G(p;m). Zoals bekend kan het signaalniveau gerepresenteerd worden door de over een blok gemiddelde 5 waarde van de amplitude of het vermogen van de signaalmonsters, maar ook door de piekwaarde van de amplitude van de signaalmonsters in een blok.

Welke representatie in niveaudetector 7(p) wordt benut, hangt af van het type kwantisator 8{p). Aangezien dezelfde karakteristieke parameter G(p;m) wordt gebruikt in kwantisator 8(p) en in dekwantisator 9(p) dient 10 niveaudetector 7(p) deze parameter G(p;m) te kwantiseren, waarbij in het geval van een muzieksignaal van hoge kwaliteit een logaritmische kwantisering wordt toegepast met 8 bits.

In het onderhavige systeem wordt gebruik gemaakt van een opdeling van de muzieksignaalband van 0-22,05 kHz volgens een 15 perceptueel criterium, waarbij de bandbreedten W(p) van de sub-banden met respectieve bandnummers p (1<p<26) bij benadering corresponderen met de bandbreedten van de kritieke banden van het menselijk oor in de respectieve frequentiegebieden (vergelijk Fig. 2 in het bovengenoemde artikel van Krasner). Met het oog op een eenvoudige implementatie van 20 filterbanken 3 en 5 wordt de kwadratuur-spiegel filtermethode toegepast voor de opdeling in sub-banden en de bijhorende verlaging van de bemonsterfrequentie respectievelijk de samenvoeging van sub-banden en de bijbehorende verhoging van de bemonterfrequentie. Volgens deze kwadratuur-spiegel filtermethode wordt de opdeling uitgevoerd als een 25 reeks bandsplitsingen en de samenvoeging als een reeks bandherenigingen. Voor het onderhavige geval van een muzieksignaalband van 0-22,05 kHz toont Fig. 2A het schema van de reeks splitsingen en herenigingen dat in filterbanken 3 en 5 wordt gebruikt voor het verkrijgen van sub-banden met een bij benadering kritieke bandbreedte.

30 Fig. 2B toont hoe elke bandsplitsing en bijbehorende bandhereniging wordt bewerkstelligd. De band van het ingangssignaal wordt verdeeld in een onderband en een bovenband met behulp van een laagdoorlaatfilter 10 respectievelijk een hoogdoorlaatfilter 11, waarbij de frequentieresponsies van deze filters 10 en 11 eikaars spiegelbeeld 35 zijn. Dit laatste is in gestyleerde vorm weergegeven in Fig. 2C die de grootte van de frequentie responsies H(eJt0) toont als functie van de genormaliseerde radiaalfrequentie ω = 2irfT_, waarbij 1/TL de β δ 8 7 n Π PHN 12.108 10 bemonsterfrequentie van het ingangssignaal met bandbreedte 1/(2TS) is. De bemonsterfrequentie van de uitgangssignalen van filters 10,11 wordt vervolgens gehalveerd met behulp van 2:1 decimatoren 12,13. Bij de bandhereniging wordt deze halvering van de bemonsterfrequentie weer 5 ongedaan gemaakt met behulp van 1:2 interpolatoren 14,15. Aangezien bij deze interpolatie ongewenste periodieke herhalingen van de signaalspectra van de onder- en bovenbanden optreden, worden de uitgangssignalen van de 1:2 interpolatoren 14,15 respectievelijk toegevoerd aan een laagdoorlaatfilter 16 en een hoogdoorlaatfilter 17 10 voor het selecteren van de gewenste onder- en bovenband. De frequentieresponsies van deze filters 16 en 17 zijn wederom eikaars spiegelbeeld, waarbij filter 16 correspondeert met filter 10 en filter 17 correspondeert met filter 11 (afgezien van een tekeninversie). De uitgangssignalen van filters 16 en 17 worden gesommeerd met behulp van 15 een opteller 18 voor het contrueren van een replica van het ingangssignaal van filters 10 en 11. Uit het schema van Fig. 2A blijkt dat niet voor alle sub-banden een zelfde aantal splitsingen en herenigingen nodig is; voor de sub-banden met nummers p=1-4 bedraagt dit aantal 8, maar voor de sub-band met nummer p=26 bedraagt dit aantal 20 slechts 2. Aangezien de kwadratuur-spiegel filters 10,11 en 16,17 de belangrijkste bronnen van de signaalvertragingen in de filterbanken 3 en 5 zijn, dienen de signalen in de afzonderlijke sub-banden met verschillende bedragen vertraagd te worden om in de geconstrueerde replica van het muzieksignaal de oorspronkelijke tijdrelaties tussen 25 de signalen in de respectieve frequentiegebieden te kunnen handhaven.

Fig. 3 toont een tabel met gegevens omtrent de sub-banden die zijn verkregen bij toepassing van het schema van Fig. 2A op de muzieksignaalband van 0-22,05 kHz. De eerste kolom geeft de bandnummers p, de tweede en derde kolom geven de waarden fco van de onder-30 respectievelijk bovengrens van de sub-band en de vierde kolom geeft de waarde W(p) van de bandbreedte van de sub-band, waarbij de waarden in de tweede, derde en vierde kolom zijn afgerond tot gehele getallen. De waarden W(p) zijn het resultaat van een praktisch compromis tussen het streven naar een zo goed mogelijke benadering van de waarden van de 35 kritieke bandbreedten van het menselijk oor zoals die in publikaties over psycho-akoestische experimenten vermeld zijn, en het streven naar een zo gering mogelijke complexiteit van de filterbanken 3 en 5 bij 87 0 0 PHH 12.108 11 * toepassing van de kwadratuur-spiegel filtermethode.

De keuze voor een opdeling in sub-banden van bij benadering kritieke bandbreedte is gedaan omdat op grond van psycho-akoestische experimenten verwacht mag worden dat de kwantiseringsruis in 5 een sub-band dan optimaal gemaskeerd zal worden door de signalen in deze sub-band. Het uitgangspunt voor de kwantisering van de respectieve sub-band signalen wordt gevormd door de ruis-maskeringskromme van het menselijk oor die de drempelwaarde geeft voor het maskeren van ruis in een kritieke band door een enkele toon in het midden van deze kritieke 10 band (vergelijk Fig. 3 in het bovengenoemde artikel van Krasner). Het aantal kwantiseringsniveaus L(p) voor een sub-band met bandnummer p wordt nu zodanig gerelateerd aan deze ruis-maskeringskromme dat in elke sub-band de signaal-ruisverhouding hoog genoeg is om de kwantiseringsruis niet waar te nemen. Daartoe blijkt een aantal van 15 L(p)=25 kwantiseringsniveaus ruimschoots voldoende te zijn in het middenfreguente deel van de audiosignaalband, waar de ruis-maskeringskromme haar laagste waarden bezit, terwijl voor hogere frequenties steeds lagere aantallen L(p) volstaan. Dit laatste geldt eveneens voor het laagfrequente deel van de audiosignaalband, maar in 20 het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld wordt deze mogelijkheid niet benut omdat die nauwelijks bijdraagt tot een vermindering van het aantal bits dat nodig is om de uitgangssignalen van de coder te representeren, zoals hierna nog zal worden toegelicht. De in het onderhavige geval gebruikte aantallen van L(p) kwantiseringsniveaus zijn weergegeven in de vijfde 25 kolom van de tabel in Fig. 3. Zoals bekend correspondeert een aantal van L(p) kwantiseringsniveaus met een aantal van Β(ρ)=^2[Ι*(ρ)] kwantiseringsbits per signaalmonster. De waarden van deze aantallen B(p) zijn weergegeven in de zesde kolom van de tabel in Fig. 3, waarbij deze waarden zijn afgerond tot getallen met twee decimalen achter de 30 komma. Bij de praktische implementatie van de kwantisatoren 8(p) en dekwantisatoren 9(p) zijn de aantallen B(p) enigszins hoger. Immers voor het kwantiseren van een blok met M=32 monsters van een sub-band signaal Xp(k) met een aantal van L(p)=25 kwantiseringsniveaus bedraagt het theoretische aantal kwantiseringsbits per signaalmonster 35 B(p)=log2(25)=4,64 en bedraagt het theoretisch vereiste totale aantal kwantiseringsbits voor het blok 32 log2(25)=148,60. Het praktisch vereiste totale aantal kwantiseringsbits voor het blok bedraagt echter e 7 c r ' ' ψ ΡΗΝ 12.108 12 tenminste 149 zodat in de praktijk het aantal kwantiseringsbits per signaalmonster tenminste de waarde B(p)=149/32=4,66 heeft.

Het aantal bits per seconde dat nodig is voor het kwantiseren van een sub-band signaal Xp(k) wordt gegeven door het 5 produkt van de bemonsterfrequentie 2W(p) en het aantal van B(p) kwantiseringsbits per signaalmonster. Uit de waarden van W(p) en B(p) in de tabel van Fig. 3 volgt dan dat het kwantiseren van alle sub-band signalen xp(k) een theoretische bitcapaciteit van 98,225 kbit/s vereist. Gezien de relatief lage waarden van de bemonsterfrequentie 10 2W(p) voor de sub-banden met de laagste bandnummers p zal het duidelijk zijn dat het weinig zinvol is om gebruik te maken van de mogelijkheid tot het aldaar verminderen van het aantal van B(p) kwantiseringsbits per signaalmonster zonder daardoor de waarneembaarheid van kwantiseringsruis te beïnvloeden. Voor het kwantiseren van de karakteristieke parameters 15 G(p;m) van elk blok van M=32 signaalmonsters zijn zoals vermeld 8 bits gebruikt, wat neerkomt op 8/32=0,25 bits per signaalmonster. Uit de waarde van de bemonsterfrequentie 1/T=44,1 kHz van het muzieksignaal volgt dan dat het kwantiseren van alle karakteristieke parameters G(p;m) een bitcapaciteit van 11,025 kbit/s vereist. De totale 20 bitcapaciteit die nodig is voor het representeren van alle uitgangssignalen van coder 1 in Fig. 1 bedraagt dus 109,250 kbit/s, zodat deze uitgangssignalen kunnen worden gerepresenteerd met een gemiddeld aantal van 2,477 bits per signaalmonster in plaats van 16 bits per signaalmonster. Zoals reeds is vermeld, zal de waarde van B(p) in de 25 praktijk enigszins hoger zijn dan de waarde in de tabel, waardoor de representatie van de uitgangssignalen van coder 1 in de praktijk ongeveer een bitcapaciteit van 110 kbit/s vereist en dus een gemiddeld aantal van ongeveer 2,5 bits per signaalmonster.

Wanneer een analoge versie x(t) van muzieksignaal x(k) 30 aan de ingang van coder 1 wordt gevormd met behulp van een 16-bit digitaal-analoogomzetter en evenzo een analoge versie x(t) van replica k(k) aan de uitgang van decoder 2, en deze analoge versies x(t) en k(t) met elkaar worden vergeleken tijdens luistertests, dan blijkt dat ondanks de hierboven beschreven significante reductie van de vereiste 35 bitcapaciteit de kwaliteit van de replica k(t) niet waarneembaar verschilt van de hoge kwaliteit van het originele muzieksignaal x(t) in vrijwel alle passages van vrijwel alle soorten muzieksignalen. Echter, £?i·· ; : * * PHN 12.108 13 in bepaalde passages van sommige soorten muzieksignalen is de kwantiseringsruis toch nog hoorbaar. In principe kan de hoorbaarheid van de kwantiseringsruis steeds worden verminderd door het aantal van L(p) kwantiseringsniveaus voor alle sub-banden groten te maken dan de 5 aantallen in de vijfde kolom van de tabel in Fig. 3, maar dit houdt in dat dan tevens het aantal van B(p) kwantiseringsbits per signaalmonster voor alle sub-banden groter wordt dan de aantallen in de zesde kolom van deze tabel, waardoor ook de representatie van de uitgangssignalen van coder 1 een grotere bitcapaciteit vereist.

10 Uit uitvoerige onderzoekingen naar de oorzaken van de

incidentele hoorbaarheid van de kwantiseringsruis heeft Aanvrager het inzicht gewonnen dat de kwantiseringsruis vooral hoorbaar is in muziekpassages met enkele tonen. Tijdens dergelijke muziekpassages bevat het merendeel van de sub-banden vanaf het middenfrequente deel van de 15 muzieksignaalband zeer weinig of geen signaalenergie, terwijl in elk van de weinige resterende sub-banden slechts één spectrale component met signaificante signaalenergie aanwezig is. Aan de hand van Fig. 4 zal nu kwalitatief worden toegelicht hoe de kwantiseringsruis in dit geval soms hoorbaar wordt. Fig. 4 toont het vermogen S van een enkele 20 sinusoidale component X nabij de bovengrens van een sub-band met bandnummer p. Bij gebruik van een voldoende groot aantal van L(p) kwantiseringsniveaus voor de kwantisering van sinusoidale component X is de kwantiseringsruis nagenoeg uniform verdeeld over de gehele sub-band en ligt het vermogen N van de kwantiseringsruis een bedrag van ongeveer 25 20 logwi]füP Liv)l dB

lager dan het vermogen S, zoals in Fig. 4 aangeduid. In gestyleerde vorm toont Fig. 4 tevens twee drempelkrommen voor het maskeren van ruis in kritieke banden van het menselijk oor door een sinusoidale component in het midden van deze kritieke band. De gestippeld weergegeven kromme 30 geldt voor een sinusoidale component met vermogen S gelegen in het midden van de sub-band met bandnummer p, terwijl de getrokken weergegeven kromme geldt voor sinusoidale component X eveneens met vermogen S maar nu gelegen nabij de bovengrens van de sub-band met bandnummer p. Het is uit Fig. 4 duidelijk dat in het geval van de 35 gestippelde kromme de kwantiseringsruis volledig wordt gemaskeerd, maar dat in het geval van de getrokken kromme het gearceerde gedeelte van de kwantiseringsruis boven de drempelkromme ligt en dus hoorbaar is in 8 7 0 C ' P.r PHN 12.108 14 muziekpassages met enkele tonen. In het meer algemene geval dat naast spectrale component X verschillende andere spectrale componenten met significante energie aanwezig zijn in de sub-band met bandnummer p en/of in de naburige sub-banden, zal het gearceerde gedeelte van de 5 kwantiseringsruis in Fig. 4 echter niet meer hoorbaar zijn, omdat in dit geval de onderling overlappende drempelkrommen voor de respectieve spectrale componenten resulteren in een samengestelde drempelkromme die boven de kwantiseringsruis ligt en deze kwantiseringsruis aldus afdoende wordt gemaskeerd.

10 Overeenkomstig de uitvinding wordt het systeem van Fig. 1 nu als volgt ingericht om de hoorbaarheid van kwantiseringsruis tijdens muziekpassages met enkele tonen te bestrijden zonder het gemiddelde aantal kwantiseringsbits per monster van de gekwantiseerde uitgangssignalen te vergroten. De sub-banden worden verdeeld in een 15 eerste groep met bandnummers p kleiner dan pim (1<ρ<ρ^κ) en een tweede groep met bandnummers p niet kleiner dan p£m (p^m<p<P), waarbij de sub-band met bandnummer Pj^, gelegen is in het deel van de audiosignaalband met de laagste drempelwaarden voor het maskeren van ruis in kritieke banden van het menselijk oor door enkele tonen in het 20 midden van de respectieve kritieke banden. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is p^m=13 gekozen zodat de scheidslijn tussen de eerste en de tweede groep van sub-banden bij de frequentie f=1723 Hz ligt. De kwantisatoren 8(p) en dekwantisatoren 9(p) voor elk van de sub-banden van de eerste groep (1<.p<.12) zijn ingericht voor het met een 25 vast aantal van B(p) bits per signaalmonster kwantiseren en dekwantiseren van de sub-band signalen, waarbij in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld dezelfde waarden B(p)=log2[L(p)] als in de tabel van Fig. 3 worden gekozen, dus L(p)=25 en B(p)=4,64.

Voor het kwantiseren en dekwantiseren van de signalen in 30 de sub-banden van de tweede groep (13<p<26) wordt nu wel een vast totaal aantal van B bits voorgeschreven voor een tijdsduur die overeenkomt met één blok van M=32 signaalmonsters van het signaal in de sub-band met bandnummer p^m=13, maar het aantal van B(p;m) kwantiseringsbits per signaalmonster voor het blok met bloknummer m van 35 het signaal in de sub-band met bandnummer p wordt nu bepaald door de verzameling van alle karakteristieke parameters G(p;m) van de tweede groep (13<p<26) binnen de hierboven omschreven tijdsduur. Aangezien 87 0 0 :·ν·: k PHN 12.108 15 deze parameters G(p;m) zowel in coder 1 als in decoder 2 beschikbaar zijn, kan de bepaling van de aantallen B(p;m) in coder 1 en decoder 2 op dezelfde wijze worden uitgevoerd zonder dat daartoe extra informatie aan decoder 2 behoeft te worden doorgegeven.

5 De toewijzing van de aantallen kwantiseringsbits B(p;m) in responsie op de verzameling paraaeters G(p;m) voor de tweede groep van sub-banden (13ip<26) vindt plaats met behulp van een allocatieraaa dat is weergegeven in Fig. 5 met horizontaal de verdeling in tijd en verticaal de verdeling in sub-banden aangeduid door hun 10 bandnuaaers 13£pl26. De tijdsduur van dit allocatieraam komt overeen met een blok van 32 monsters van het signaal in de sub-band met bandnuamer p=13 en aangezien de bemonsterfrequentie van dit signaal 2W(p)=2W(13) is, bedraagt de tijdsduur van dit allocatieraam 32/[2W(13)]=46,440 ms. Het allocatieraam van Fig. 5 is onderverdeeld in 15 blokken, waarbij elk blok correspondeert met 32 signaalmonsters en evenzo met één bij dit blok behorende waarde van de karakteristieke parameter G(p;m) respectievelijk één bij dit blok behorende waarde van het aantal kwantiseringsbits B(p;m) per signaalmonster. Voor de kwantisering van alle signaalmonsters binnen het allocatieraam van 20 Fig. 5 is een vast totaal aantal van B bits voorgeschreven, welk aantal B gegeven wordt door het voorschrift B(p;m)=B(p) waarbij B(p) de in de tabel van Fig. 3 gegeven waarde heeft voor 13<pi26. Het theoretische totale aantal bits bedraagt dan B=3818,54 bits maar het praktische totale aantal bits bedraagt dan tenminste B=3836 bits omdat het totale 25 aantal kwantiseringsbits voor een blok van 32 signaalmonsters steeds een geheel getal dient te zijn.

De toewijzing van de aantallen kwantiseringbits B(p;m) aan de kwantisatoren 8(p) en dekwantisatoren 9{p) voor de tweede groep van sub-banden (13lp<26) kan eerst plaatsvinden nadat alle 30 parameters G(p;m) ter beschikking staan die bij een bepaald allocatieraam behoren. Gezien de structuur van het allocatieraam van Fig. 5 houdt dit in dat voor het deel (18<p<26) van de tweede groep van sub-banden (13ip<26) de parameters G(p;m) tijdelijk moeten worden opgeslagen en dat in coder 1 tevens een corresponderende 35 tijdelijk opslag van blokken van 32 monsters van sub-band signalen Xp(k) moet plaats vinden om in kwantisatoren 8(p) en dekwantisatoren 9(p) de juiste tijdrelatie tussen een blok van 32 signaalmonsters 6? 0 CL δ 5 PHN 12.108 16 x (k) met bloknummer m en de parameter G(p;m) van dit blok te kunnen r handhaven. Daartoe bevatten coder 1 en decoder 2 voor elke sub-band van dit deel (18ipi26) een parameterbuffer 20(p) respectievelijk 21(p) en bevat coder 1 bovendien een extral signaalbuffer 22 C p) tussen 5 signaalbuffer 6(p) en kwantisator 8(p). Eenvoudigheidshalve is dit in Fig. 1 alleen getoond voor de sub-band met bandnummer p=26. Uit het aantal blokken binnen een allocatieraam voor een bandnummer p volgt dan de duur van de tijdelijke opslag in parameterbuffers 20(p) en 21(p) en in signaalbuffer 22(p). Voor bandnummer p=26 bevat het allocatieraam 16 10 blokken en bijgevolg dient de tijdelijke opslag in parameterbuffers 20(26), 21(26) en signaalbuffer 22(26) te corresponderen met 15 blokken.

De toewijzing van de aantallen kwantiseringsbits B(p;m) per signaalmonster uit het voorgeschreven totale aantal van B bits voor een allocatieraam aan de respectieve kwantisatoren 8(p) en 15 dekwantisatoren 9(p) wordt bewerkstelligd door identieke bitallocatie-middelen 23 en 24 in coder 1 respectievelijk decoder 2 in responsie op de karakteristieke parameters G(p;m) binnen dit allocatieraam die tezamen een parameterverzameling (G(p;m)) vormen. Aan het einde van een allocatieraam staat deze parameterverzameling (G(p;m)) in haar geheel 20 ter beschikking aan de uitgangen van de niveaudetectoren 7(p) van de tweede groep van sub-banden (13ipi26) en van de parameterbuffers 20(p), 21(p) van het bovengenoemde deel (18<p<26) van deze tweede groep.

De basistructuur van de identieke bitallocatiemiddelen 25 23,24 is weergegeven in Fig. 6. Deze bitallocatiemiddelen bevatten comparatormiddelen 25 met een ingangsbuffer 26 voor het opnemen van de parameterverzameling (G(p;m)) aan het einde van elk allocatieraam, een geheugen 27 voor het opslaan van een verzameling <T(p)> van respectieve drempelwaarden T(p) voor de sub-banden van de tweede groep 30 (13<pi26), en een comparatorinrichting 28 met een afzonderlijke comparator voor elke parameter G(p;m) van de parameterverzameling (G(p;m)>. In een comparator wordt parameter G(p;m) vergeleken met drempelwaarde T(p) voor de desbetreffende sub-band met bandnummer p en wordt een binair comparatiesignaal C(p;m) opgewekt met een eerste waarde 35 C(p;m)=T voor G(p;m).>T(p) en een tweede waarde C(p;m)=M0'' voor G(p;m)<T(p). Deze drempelwaarden T(p) zijn gerelateerd aan de drempelwaarden voor het nog juist waarnemen van enkele tonen door het r % r ·. ' ί: · V :· PHN 12.108 17 wenselijk oor in de respectieve frequentiegebieden, en wel zodanig dat voor een representatieve waarde van de geluidsdruk van enkele tonen, bijvoorbeeld een waarde van 60 dB SPL, de drempelwaarde T(p) een perceptueel aanvaardbare benadering vormt van de drempelwaarde van het 5 menselijk oor in het frequentiegebied van de sub-band met bandnummer p.

Op deze wijze verdelen de comparatormiddelen 25 de blokken (p;m) van sub-band signalen xp(k) binnen een allocatieraam in blokken (p;m) die perceptueel significante signaalenergie bevatten op grond van het criterium G(p;m)2T(p) en die dus een waarde C(p;n)="1" 10 hebben, en blokken (p;m) die geen perceptueel significante signaalenergie bevatten op grond van het criterium G(p;m)<T(p) en die dus een waarde C(p;m)=*0* hebben. Overeenkomstig de uitvinding worden nu geen kwantiseringsbits toegekend aan de blokken (p;m) met C{p;m)="0“ en worden de aldus bespaarde kwantiseringsbits benut voor het fijner 15 kwantiseren van de blokken (p;m) binnen hetzelde allocatieraam met C(p;m)="1". De bitallocatiemiddelen van Fig. 6 bevatten daartoe een geheugen 29 voor het opslaan van een voorgeschreven al locatiepatroon 1B(p)) van aantallen van B(p) kwantiseringsbits per signaalmonster voor de tweede groep van sub-banden (13<p<26), welke aantallen B(p) op de 20 reeds uitvoerig beschreven wijze gerelateerd zijn aan de ruis- maskeringskromme van het menselijk oor; in het onderhavige voorbeeld hebben deze aantallen B(p) dezelfde waarden B(p)=log2[I>(p)] als in de tabel van Fig. 3 voor 13ip<26. Verder bevatten de bitallocatiemiddelen van Fig. 6 een signaalprocessor 30 die in responsie 25 op het voorgeschreven allocatiepatroon <B(p)> in geheugen 29, de parameterverzameling (G(p;m)} in ingangsbuffer 26 en de bijbehorende verzameling {C(p;m)} van binaire comparatiesignalen aan de uitgang van comparatorinrichting 28 een allocatiepatroon (B(p;m)} bepaalt van aantallen van B{p;m) kwantiseringsbits per signaalmonster voor de 30 blokken (p;m) van sub-band signalen xp(k) binnen het desbetreffende allocatieraam. Indien alle blokken (p;m) perceptueel significante signaalenergie bevatten en dus voor elk element van de verzameling 1C(p;n)} geldt dat C(p,*m)="1" is, is het allicatiepatroon {B(p;m)1 aan de uitgang van signaalprocessor 30 gelijk aan het voorgeschreven 35 allocatiepatroon 1B(p)} dat is opgeslagen in geheugen 29. Dit is het geval in vrijwel alle passages van vrijwel alle soorten muzieksignalen. Echter tijdens muziekpassages met enkele tonen bevatten slechts enkele 6 7 0 0 98^ * PHN 12.108 18 blokken (p;m) van een allocatieraam perceptueel significante signaalenergie, terwijl de overige blokken (p;m) geen perceptueel significante signaalenergie bevatten en dus een waarde C(p;m)="0" hebben. Signaalprocessor 30 kent nu geen kwantiseringsbits toe aan 5 blokken (p;m) met C(p;m)="0H en dus geldt voor deze blokken (p;m) dat B(p;m)=0 is. Aangezien voor de kwantisering van alle signaalmonsters binnen het allocatieraam een vast totaal aantal van B bits is voorgeschreven, wordt aldus een aantal kwantiseringsbits bespaard. Signaalprocessor 30 bepaalt de som S van de bespaarde aantallen 10 kwantiseringsbits, waarbij de bijdrage van een blok (p;m) met C(p;m)="0" aan deze som S gelijk is aan het aantal van M.B(p) bits dat beschikbaar is voor het kwantiseren van de M=32 signaalmonsters van dit blok (p;m) met een aantal van B(p) kwantiseringsbits per monster volgens het voorgeschreven allocatiepatroon 1B(p)} dat is opgeslagen in geheugen 29. 15 Deze som S van bespaarde aantallen bits wordt dan toegewezen aan de blokken (p;m) binnen het allocatieraam met C(p;m)="1" voor het verkrijgen van aantallen van B(p;m)=B'(p) kwantiseringsbits per signaalmonster die groter zijn dan de aantallen B(p;m)=B(p) met B(p) volgens het voorgeschreven allocatipatroon {B(p)}. Deze toewijzing 20 begint bij het blok (p;m) met de grootste waarde van parameter G(p;m) en aan dit blok (p;m) wordt een aantal van B(p;m)=B'(p) toegekend indien het voor de vergroting van het aantal kwantiseringsbits benodigde aantal van AS=M[B'(p)-B(p)] bits inderdaad beschikbaar is, dat wil zeggen indien AS<S is. Is dit laatste het geval, dan wordt de som S met dit 25 aantal AS verminderd en wordt het aantal van B(p;m)=B'(p) toegekend aan het blok (p;m) met het grootste waarde G(p;m). Dit toewijzingsproces wordt dan herhaald, waarbij het de voorkeur verdient de parameter G(p;m) van het blok (p;m) waaraan extra kwantiseringsbits zijn toegekend te verkleinen teneinde de som S van de bespaarde aantallen bits op een 30 gelijkmatige wijze te verdelen over de blokken (p;m) met C(p;m)="1H. Dit toewijzingsproces eindigt wanneer het aantal resterende bits, na toekenning van een extra aantal kwantiseringsbits aan een bepaald blok (p;m), niet meer voldoende is voor een volgende toekenning van extra kwantiseringsbits aan welk blok (p;m) dan ook met C(p;m)="1" binnen het 35 allocatieraam, of wanneer aan alle blokken (p;m) met C(p;m)="1" binnen het allocatieraam een tevoren bepaald maximaal aantal kwantiseringsbits per signaalmonster is toegekend. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld 8 7 i) 0 S (: £ .

PHN 12.108 19 wordt de verzameling van "vergrote" aantallen B'(p) gevormd uit de waarden B(p)=log2[L(p)] in de tabel van Fig. 3 door de laagste waarde B(p)=log2(3) weg te laten en een extra waarde B'(p)=log2(33) toe te voegen als maximum aantal kwantiseringsbits per signaalmonster.

5 De reden voor deze keuze zal later in deze beschrijving worden toegelicht.

Het aldus in signaalprocessor 30 bepaalde allocatiepatroon (B(p;m)} wordt doorgegeven aan een uitgangsbuffer 31 aan het einde van elke allocatieraam. Vervolgens voert deze 10 uitgangsbuffer 31 de respectieve aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits per signaalmonster toe aan de kwantisatoren 8(p) in coder 1 respectievelijk dekwantisatoren 9(p) in decoder 2, waarbij deze toevoer geschiedt overeenkomstig de tijdpositie van de respectieve blokken (p;m) in het allocatieraam zoals getoond in Fig. 5, zodat de juiste 15 tijdrelatie tussen een blok (p;m) van M=32 signaalmonsters en het aantal van B(p;m) kwantiseringsbits per monster van dit blok (p;m) gehandhaafd blijft.

De hierboven beschreven maatregelen hebben tot gevolg dat tijdens muziekpassages met enkele tonen de hoorbaarheid van 20 kwantiseringsruis op effectieve wijze wordt verminderd. Dit kan op eenvoudige wijze worden geïllustreerd door terug te keren naar de beschrijving van Fig. 4, aan de hand waarvan is toegelicht hoe de kwantiseringsruis tijdens dergelijke muziekpassages soms hoorbaar wordt. In de aldaar beschouwde omstandigheden wordt door de maatregelen 25 volgens de uitvinding bereikt dat het aantal van B'(p) kwantiseringsbits per signaalmonster groter is dan het oorspronkelijke aantal van B(p) en bijgevolg het aantal van L'(p) kwantiseringsniveaus ook groter is dan het oorspronkelijke aantal van L(p). Dit houdt in dat het vermogen N' van de kwantiseringsruis thans een bedrag van ongeveer 30 20 log10[L'(p)/L(p)] dB

lager ligt dan de oorspronkelijke waarde N van dit vermogen die in Fig. 4 is aangeduid, waardoor het gearceerde gedeelte van de kwantiseringsruis boven de drempelkromme in Fig. 4, dat wil zeggen het hoorbare gedeelte van de kwantiseringsruis, aanzienlijk kleiner wordt of 35 zelfs geheel verdwijnt. Deze effectieve vermindering van de hoorbaarheid van de kwantiseringsruis gaat echter niet gepaard met een vergroting van het gemiddelde aantal kwantiseringsbits per monster van de e / r o ·, ! » PHN 12.108 20 gekwantiseerde signalen aan de uitgang van coder 1 respectievelijk de ingang van decoder 2 in Fig. 1, omdat het voorgeschreven totale aantal van B bits voor de kwantisering van alle signaalmonsters binnen het allocatieraam van Fig. 5 niet wordt gewijzigd door de maatregelen 5 volgens de uitvinding, die immers uitsluitend een herallocatie van dit vast voorgeschreven totale aantal van B bits aan de blokken (p;m) binnen dit allocatieraam bewerkstelligen. Uit uitvoerige luistertest met sterk uiteenlopende muzieksignalen blijkt dat dankzij deze maatregelen over het algemeen geen kwantiseringsruis meer hoorbaar is tijdens 10 muziekpassages met enkele tonen.

Binnen het kader van de uitvinding kan de herallocatie van het vaste totale aantal van B bits aan de blokken (p;m) binnen het allocatieraam op velerlei wijzen worden bewerkstelligd met als gevolg een grote verscheidenheid van mogelijke implementaties van de 15 bitallocatiemiddelen in Fig. 6, vooral wat betreft de signaalprocessor 30. Fig. 7 geeft nu een blokschema van een voorbeeld van een signaalprocessor 30 die kan worden toegepast voor het bewerkstelligen van een voorbeeld van deze herallocatie dat zal worden toegelicht aan de hand van de stroomschema's van Fig. 8 en Fig. 9.

20 De signaalprocessor 30 in Fig. 7 bevat een ingangsregister 32 waarin het voorgeschreven allocatiepatroon 1B(p)> wordt geladen als ontstentenis-waarde ("default value") voor het te bepalen allocatiepatroon {B(p;m))f alsmede een ingangsregister 33 waarin de parameterverzameling {G(p;m)} wordt geladen als beginwaarde van een 25 behoefteverzameling {G'(p;m)}, waarvan de elementen tijdens het herallocatieproces de behoefte aan kwanstiseringsbits voor de blokken (p;m) representeren. Verder bevat signaalprocessor 30 een eerste module 34 die in responsie op de verzameling (C(p;m)) van binaire comparatiesignalen aan de uitgang van comparatorinrichting 28 in Fig. 6 30 en in responsie op de verzamelingen (B(p;m)>={B(p)} en {G'(p;m))={G(p;m)} aan de uitgang van registers 32 en 33 in Fig. 7 de waarde B(p;m)=0 toekent aan de blokken (p;m) met C(p;m)="0", de som S bepaalt van de de beschikbare aantallen van M.B(p;m)=M.B(p) kwantiseringsbits voor deze blokken (p;m), en de bitbehoefte G'(p;m) van 35 deze blokken (p;m) op nul zet om door de waarde G'(p;m)=0 aan te duiden dat zij zijn uitgesloten bij de herallocatie van de som S van "bespaarde" aantallen bits. Fig. 8 geeft een stroomschema van een k i f; h : P & v > v V* - y * PHN 12.108 21 mogelijke prograana-routine voor deze eerste module 34. De diverse blokken in het stroomschema hebben de volgende betekenis:

Blok Opschrift Betekenis 8-1 START begin van de routine die zich elk ailocatieraam 5 herhaalt.

8-2 REP(pjm) herhaal voor alle blokken (p;m) van het ailocatieraam.

8-3 {p;m} test of alle blokken (p;m) van het ailocatieraam behandeld zijn.

10 8-4 STOP eind van de routine.

8-5 C(p;m)=0 test of C(p;m) de waarde "0* heeft.

8-6 G'(p;m):=0 zet bitbehoefte G'(p;m) op nul.

S:=S+M.B(p;m) verhoog som S met beschikbare aantal van M.B(p;m)=H.B(p) bits.

15 B(p;*):=0 ken geen kwantiseringsbits toe aan blok (p;m) zodat B(p;m)=0 is.

Signaalprocessor 30 van Fig. 7 bevat een tweede module 35 voor het heralloceren van de som S van bespaarde aantallen kwantiseringsbits aan blokken (p;m) met C(p;m)=“1". De herallocatie van 20 deze in module 34 gevormde som S geschiedt in responsie op de eveneens in module 34 gevormde verzamelingen {B(p;m)> en {G'(p;m)}, waarbij de blokken (p;m) met C(p;*)=*0" zijn uitgesloten door de waarde G'(p;m)=0 van deze bitbehoefte en de waarde B(p;m)=0 de eindwaarde voor deze blokken (p;m) in het allocatiepatroon (B(p;m)} aan de uitgang van 25 signaalprocessor 30 is. Fig. 9 geeft een stroomschema van een mogelijke programma-routine voor deze herallocatie in module 35, waarbij gebruik gemaakt is van het feit dat de verschillende kwantiseringsmogelijkheden op eenvoudige wijze kunnen worden gerangschikt van grof tot fijn en in deze volgorde kunnen worden voorzien van een rangnummer i met 30 i=1,2,...,I. Fig. 10 toont een tabel met gegevens ontrent deze rangschikking voor het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld, waarvoor het aantal kwantiseringsmogelijkheden 1=8 is. In deze tabel geeft de eerste kolom het rangnummer ij. de tweede kolom het aantal van L(i) kwantiseringsniveaus, de derde kolom het aantal van B(i) 35 kwantiseringsbits per signaalmonster en de vierde kolom het aantal van AB(i) kwantiseringsbits per signaalmonster dat nodig is om B(i) te verhogen tot B(i+1), zodat B(i)+AB(i) gelijk is aan B(i+1) en de fe 7 .'} ' '-· :·· · PHN 12.108 22 corresponderende verhoging voor een blok van M signaaliaonsters dus een aantal van AS=M.AB(i) kwantiseringsbits vereist. De waarden van de aantallen B(i) en ΔΒ(ϊ) in de tabel zijn afgerond tot getallen met twee decimalen achter de komma.

5 De diverse blokken in het stroomschema van Fig. 9 hebben de volgende betekenis:

Blok Opschrift Betekenis 9-1 START begin van de routine die zich elk allocatieraam herhaalt.

10 9-2 S>0 test of som S groter dan nul is.

9-3 STOP eind van de routine.

9-4 MAX(G'(p;m)} bepaal blok (p;m) van het allocatieraam met p,m grootste bitbehoefte G'(p;m).

9-5 G'(P;m)>0 test of bitbehoefte G'(p;m) groter dan nul is.

15 9-6 VAL(i)—>B(i)=B(p;m) bepaal voor blok (p;m) rangnummer i zodat B(i)=B(p;m) is.

9-7 i<I test of rangnummer i kleiner dan 1 is.

9-8 G'(p;m):=0 zet bitbehoefte G'(p;m) op nul.

9-9 AS:=M.ΔΒ(i) ken somwijziging AS de waarde Μ.ΔΒ(ί) toe.

20 9-10 ASiS test of somwijziging AS niet groter dan som S

is.

9-11 G'(p;m):=G'(p;m)/D ken bitbehoefte G'(p;m) een waarde G'(p;m)/D

toe, waarbij D>1 is.

S:=S-AS verlaag som S met aantal bits van somwijziging 25 AS=M.AB(i).

B(p;m):=B(i+1) ken aan blok (p;m) een aantal van B(i+1) kwantiseringsbits per monster toe.

Na het begin van de routine wordt getest of inderdaad kwantiseringsbits bespaard zijn (conditioneel blok 9-2). Is dat niet het 30 geval dan wordt de routine beëindigd en wordt een allocatiepatroon (B(p;m)) gelijk aan het ontstentenispatroon 4B(p)> doorgegeven aan een uitgangsregister 36 van signaalprocessor 30 in Fig. 7 (operationeel blok 9-3). Is dat wel het geval dan wordt het blok (p;m) van het allocatieraam met de grootste bitbehoefte G'(p;m) bepaald (operationeel 35 blok 9-4). Daarna wordt getest of deze bitbehoefte G'(p;m) groter dan nul is (conditioneel blok 9-5) en zo ja, dan wordt het huidige aantal van B(p,-m) kwantiseringsbits per signaalmonster geïdentificeerd door 11 o o r; * PHK 12.108 23 een rangnummer i in een rangschikking volgens de tabel van Fig. 10 zodat B(i)=B(p;m) is (operationeel blok 9-6). Vervolgens wordt getest of aan blok (p;m) het maximum aantal kwantiseringsbits per signaalmonster is toegekend door te testen of rangnummer i kleiner is dan het hoogste 5 rangnummer I (conditioneel blok 9-7). Is dit niet het geval, dus is i=i, dan wordt blok (p;m) van verdere herallocatie uitgesloten door zijn bitbehoefte G'(p;m) op nul te zetten (operationeel 9-8). Is dit wel het geval, dus is i<I, dan wordt het aantal van AS=M.AB(i) kwantiseringsbits bepaald dat nodig is om het aantal kwantiseringsbits per monster van de 10 huidige waarde B(i) op de naast hogere waarde B(i-M) te brengen voor de N signaalmonsters van blok (p;m) en vervolgens wordt getest of dit aantal AS inderdaad beschikbaar is (operationeel blok 9-9 en conditioneel blok 9-10). Is dit laatste niet het geval en is dus de somwijziging AS groter dan de som S, het actuele aantal 15 kwantiseringsbits dat beschikbaar is voor heralloctie, dan wordt blok (p;m) van verdere herallocatie uitgesloten door zijn bitbehoefte G'(p;m) op nul te zetten (operationeel blok 9-8). Is het voor een verhoging benodigde aantal van AS kwantiseringsbits daarentegen wel beschikbaar, dan wordt de som S met dit aantal AS verminderd en wordt 20 aan het aantal van B(p;m) kwantiseringsbits per monster van dit blok (p;m) de naast hogere waarde B(i+1) toegekend (operationeel blok 9-11).

Tevens wordt de bitbehoefte G' (p,-m) van dit blok (p,-m) verkleind door daaraan een waarde G'(p,*m)/D toe te kennen, waarbij D>1 is, teneinde de in totaal bespaarde aantallen kwantiseringsbits (de beginwaarde van de 25 som S) op een gelijkmatige wijze te verdelen over de blokken (p;m) van het allocatieraam met een waarde C(p;m)="1H. De waarde D kan daartoe zo worden bepaald dat de verbetering in signaal-kwantiseringsruisverhouding als gevolg van de verhoging van het aantal kwantiseringsbits per signaalmonster met een bedrag AB(i) bij benadering wordt weerspiegeld in 30 de verkleining van bitbehoefte G'(p;m). In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld bedraagt deze verbetering ongeveer 3 dB voor i=2,3,...,7 en ongeveer 6 dB voor i=1 zodat volstaan kan worden met één vaste waarde D. In dit geval heeft D een waarde D=|/? indien karakteristieke parameters G(p,*m) en dus ook behoefteparameter G' (p;m) 35 de piekwaarde van.de amplitude van de signaalmonsters in blok (p;m) representeert, en een waarde D=2 indien G(p;m) en dus ook G'(p;m) de over dit blok (p;m) gemiddelde waarde van het vermogen van de 8 7 C 0 PS 5 * PHN 12.108 24 signaalmonsters representeert. Nadat deze operaties op som S, aantal kwantiseringsbits per signaalmonster B(p;m) en bitbehoefte G'(p;m) zijn uitgevoerd (operationeel blok 9-11),keert de routine terug naar het bepalen van het blok (p;m) van het allocatieraam dat thans de grootste 5 bitbehoefte G'(p;m) heeft (operationeel blok 9-4). De routine wordt beëindigd indien alle blokken (p;m) van een allocatieraam een bitbehoefte G'(p;m)=0 hebben en het dan bepaalde allocatiepatroon (B(p;m)> wordt doorgegeven aan uitgangsregister 36 van signaalprocessor 30 in Fig. 7 (conditioneel blok 9-5 en operationeel blok 9-3).

10 Na het beëindigen van de routine kan de resterende som S van "bespaarde" aantallen kwantiseringsbits groter dan nul zijn. Voor het kwantiseren en dekwantiseren van de sub-band signalen van de tweede groep (13<p<26) is echter een vast totaal aantal van B bits per allocatieraam voorgeschreven. Eventueel resterende "bespaarde" 15 kwantiseringsbits na het einde van de routine kunnen worden gebruikt als opvulbits zonder informatie-inhoud in de uitgangssignalen van coder 1 teneinde de totale bitcapacteit benodigd voor de representatie van deze uitgangssignalen een constante waarde te geven met het oog op de overdracht via en/of de opslag in medium 4. Aangezien de beschreven 20 herallocatie van het vaste totale aantal van B bits aan de blokken (p;m) binnen een allocatieraam in coder 1 en decoder 2 op identieke wijze geschiedt in responsie op de parameterverzameling (G(p;m)) die zowel in coder 1 als in decoder 2 beschikbaar is, behoeft de eventuele aanwezigheid van opvulbits in de uitgangssignalen van coder 1 niet te 25 worden gemarkeerd.

Met betrekking tot de hierboven beschreven programma-routine wordt nogmaals opgemerkt dat deze routine slechts bij wijze van voorbeeld is gegeven en dat andere en meer efficiënte routines kunnen worden ontworpen door de deskundige vakman zonder het kader van de 30 uitvinding te verlaten. Het beschreven voorbeeld heeft echter het voordeel van een overzichtelijke structuur en een eenvoudig criterium (conditioneel blok 9-5) voor het beëindigen van de programma-routine bij herallocatie.

Zoals reeds is vermeld, is uit uitvoerige luistertests 35 met sterk uiteenlopende muzieksignalen gebleken dat dankzij de maatregelen volgens de uitvinding de kwantiseringsruis over het algemeen niet meer hoorbaar is tijdens muziekpassages met enkele tonen. De nog ; f, v § £ · < PHN 12.108 25 slechts sporadisch voorkomende gevallen van hoorbare kwantiseringsruis blijken overwegend betrekking te hebben op muziekpassages met sterke inzetten van het muzieksignaal, waarbij in vrijwel alle sub-banden de signaalenergie plotseling sterk verandert. In een voorkeursuitvoering 5 van het onderhavige sub-band coderingssysteem kan ook de hoorbaarheid van de kwantiseringsruis tijdens muziekpassages met sterke inzetten op effectieve wijze worden verminderd. Daartoe worden de bitallocatiemiddelen 23,24 in coder 1 en decoder 2 van Fig. 1 tevens voorzien van middelen die in responsie op opeenvolgende karakteristieke 10 parameters G(p;m) en G(p;m+1) van elke sub-band van de tweede groep (13ip<26) in twee gevallen werkzaam zijn: - indien de verhouding 0=G(p;m)/G(p;n+1) kleiner is dan een 2.

voorgeschreven waarde 1/R(p) met R(p) in de orde van grootte van 10 èn indien blok (p;m) binnen het allocatieraam ligt, worden aan blok 15 (p;m) geen kwantiseringsbits toegekend en de voor dit blok beschikbare aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits per signaalmonster worden toegevoegd aan de genoemde som S van bespaarde aantallen kwantiseringsbits; dit geval doet zich voor bij het begin van een sterke inzet.

20 - indien de verhouding Q=G(p;m)/G(p;m+1) groter is dan de waarde R(p) èn indien blok (p;m+1) binnen het allocatieraam ligt, worden aan blok (p;m+1) geen kwantiseringsbits toegekend en de voor dit blok beschikbare aantallen van B(p;m+1) kwantiseringsbits per signaalmonster worden toegevoegd aan de genoemde som S van bespaarde aantallen 25 kwantiseringsbits; dit geval doet zich voor bij het einde van een sterke inzet.

Deze maatregelen maken een nuttig gebruik van het psycho-akoestische effect van de temporale maskering, dat wil zeggen de eigenschap van het menselijk oor dat zijn drempelwaarde voor het 30 waarnemen van signalen kort voor èn kort na het optreden van een ander signaal met relatief hoge signaalenergie tijdelijk hoger blijkt te zijn dan tijdens de afwezigheid van laatsgenoemd signaal. Door nu geen kwantiseringsbits toe te kennen aan blokken van het allocatieraam die optreden kort voor èn kort na blokken met een relatief hoge 35 signaalenergie, kunnen de aldus bespaarde aantallen kwantiseringsbits benut worden voor het fijner kwantiseren van deze blokken met een relatief hoge signaalenergie, waardoor de kwantiseringsruis tijdens £ ; r- Λ a <? r; ♦ PHN 12.108 26 laatstgenoemde blokken wordt verminderd, terwijl het niet toekennen van kwantiseringsbits aan blokken met een relatief lage signaalenergie toch niet resulteert in hoorbare vervorming dankzij de temporale maskering door het menselijk oor.

5 In het voorbeel van een signaalprocessor 30 voor de bitallocatiemiddelen 23,24 dat beschreven is aan de hand van Fig. 7, kunnen de hierboven beschreven maatregelen op eenvoudige wijze worden geïmplementeerd door een derde module 37 in te voegen tussen de reeds aanwezige eerste en tweede modules 34,35 en door ingangsregister 33 uit 10 te breiden met een sectie, waaring voor elke sub-band van de tweede groep (13<pi26) de parameter G(p;m) van het laatste blok (p;m) van het vorige allocatieraam (in Fig. 5 dus het meest rechtse blok voor elke sub-band) wordt overgenomen wanneer de parameterverzameling (G(p;m)} van het huidige allocatieraam wordt geladen in het eigenlijke register 33.

15 De parameters van het vorige allocatieraam die aldus worden overgenomen in deze extra sectie van register 33 vormen een aanvulling A(G'(p;m)} voor de behoefteverzameling {G'(p;mH van het huidige allocatieraam aan de uitgang van module 34. Deze aanvulling A(G'(p;m)} wordt in module 37 gebruikt voor het uitvoeren van operaties op de som S en de 20 verzamelingen (G'(p;m)} en B{(p;m)> die in module 34 gevormd zijn voor het huidige allocatieraam, waarbij deze operaties in module 37 van dezelde aard zijn als die in module 34 omdat aan bepaalde blokken (p;m) van het huidige allocatieraam de waarde B(p;m)=0 wordt toegekend, de som S van de bespaarde aantallen kwantiseringsbits wordt verhoogd met de 25 beschikbare aantallen van M.B(p;m) kwantiseringsbits voor deze blokken (P;m), en de bitbehoefte G'(p;m) van deze blokken (p;m) op nul wordt gezet om door de waarde G'(p;m) aan te duiden dat zij zijn uitgesloten van de herallocatie van de verhoogde som S die in module 35 wordt uitgevoerd. Wat betreft de beschikbare aantallen van M.B(p;m) 30 kwantiseringsbits geldt dat deze aantallen een waarde M.B(p;m)=M.B(p) hebben, tenzij reeds in module 34 aan het blok (p;m) geen kwantiseringsbits zijn toegekend en voor dit blok dus B(p;m)=0 is. In module 37 wordt gebruik gemaakt van een "aangevuld" allocatieraam van bitbehoeftes uit de behoefteverzameling (G'(p;m)} van het eigenlijke 35 allocatieraam en de aanvulling A(G'(p;m)} van de "laatste" blokken van het vorige allocatieraam. Daardoor wordt voorkomen dat de overgang van een allocatieraam op een volgend allocatieraam het benutten van de h / v 0: ;; f* * PHN 12.108 27 teiporele mastering verhindert voor het deel (13ipi17) van de tweede groep van sub-banden (13<ρ<26) en onderbreekt voor het resterende deel (18ip<26) van deze tweede groep, althans wat betreft de temporale post-maskering (die zich trouwens uitstrekt over een 5 aanzienlijk groter tijdsinterval dan de pre-maskering, vergelijk Fig. 4 in het bovengenoemde artikel van Krasner).

Fig. 11 geeft een stroomschema van een mogelijke progranma-routine voor deze module 37 in Fig. 7. De diverse blokken in het stroomschema hebben de volgende betekenis: 10 Blok Opschrift Betekenis 11-1 START begin van de routine die zich elk allocatieraam herhaalt.

11-2 REP(p;m) herhaal voor alle paren van opeenvolgende blokken (p;m) en (p;m+1) van het “aangevulde" 15 allocatieraam.

11-3 (p;m) test of alle paren van opeenvolgende blokken (p;m) en (p;m+1) van het "aangevulde* allocatieraam behandeld zijn.

11-4 STOP eind van de routine.

n-ς o - ?'(— ken verhouding Q een waarde G'(p;m)/G'(p;m+1) U 11 b y‘ G'(p;m+1) toe.

11-6 Q>R(p) test ö groter is dan R(p).

11-7 (p;m+1)6 test of blok (Ρί®+1) binnen het eigenlijke allocatieraam ligt.

25 11-8 G'(p;m+1):=0 zet bitbehoefte G'(p;m+1) op nul.

g;=S+M.B(P!a+1) verhoog som S met beschikbare aantal van M.B(p?m+1) bits.

B(p;m+1):=0 ken geen kwantiseringsbits toe aan blok (p;m+1) zodat B(p;m+1)=0 is.

30 11-9 q<1/R(p) test of Q kleiner dan 1/R(p) is.

11-10 (p;*)€ test of blok (p;m) binnen het eigenlijke allocatieraam ligt.

11-11 G'(p;m)-‘"0 zet bitbehoefte G'(p;m) op nul.

g.=S+M.B(p;*) verhoog som S met beschikbare aantal van 35 M.B(p;m) bits.

B(p;m):-0 ken geen kwantiseringsbits toe aan blok (p*,m) zodat B(p;m)=0 is.

fi 7 0 0 :: i

V

PHN 12.108 28

De hierboven beschreven routine is zo eenvoudig dat een nadere toelichting achterwege kan blijven na kennisneming van de uitvoerige uiteenzetting omtrent de functies van en operaties in module 37. Wat betreft de voorgeschreven waarde R(p) wordt opgemerkt dat 5 volstaan kan worden met een zelfde waarde voor alle sub-banden van de tweede groep (13<p<.26), en dat deze waarde correspondeert met een verandering van de over een blok gemiddelde waarde van het vermogen van de signaalmonsters in de orde van grootte van 20 dB. Ook ten aanzien van deze routine geldt dat andere en meer efficiënte routines kunnen 10 worden ontworpen door de deskundige vakman zonder het kader van de uitvinding te verlaten.

Dergelijke verbeteringen van het tot dusver beschreven systeem voor sub-band codering van muzieksignalen zijn ook in andere opzichten mogelijk. Een eerste voorbeeld van zulk een verbetering 15 betreft de inrichting van de dekwantisatoren 9(p) voor de sub-banden van de tweede groeg (13ip<26). Wanneer geen kwantiseringsbits worden toegekend aan deze dekwantisatoren 9(p) tijdens bepaalde blokken (p;m) hebben de uitgangssignalen &p(k) tijdens deze blokken (p;m) hebben de uitgangssignalen kp(k) tijdens deze blokken (p;m) een 20 signaalniveau nul, terwijl de bijbehorende karakteristieke parameter G(p;m) weliswaar onder de drempelwaarde T(p) ligt, maar nog wel van nul kan verschillen. In de dekwantisatoren 9(p) kan nu een digitale ruisbron worden opgenomen die uitsluitend bij blokken (p;m) zonder kwantiseringsbits, dus bij een waarde B(p;m)=0, een signaal doorgeeft 25 aan de uitgang met een signaalniveau dat correspondeert met de karakteristieke parameter G(p;m). Het optreden van bepaalde plotselinge niveauveranderingen in de uitgangssignalen icp(k) van dekwantisatoren 9(p) die geen tegenhanger hebben in de ingangssignalen xp(k) van kwantisatoren 8(p), wordt door deze eenvoudige maatregel voorkomen.

30 Een tweede voorbeeld van een dergelijke verbetering betreft eveneens de inrichting van de kwantisatoren 8(p) en dekwantisatoren 9(p). De golfvorm van een sub-band signaal xp(k) kan verschillende kansdichtheidsfuncties hebben en de kwantisatoren kunnen, zoals bekend, worden geoptimaliseerd voor een gegeven 35 kansdichtheidsfunctie (vergelijk de secties 4.3.2 en 4.4.1 van het hooofdstuk "Quantization" in het reeds genoemde boek van Jayant en Noll, pp. 125-127 en pp. 131-135). In principe is het mogelijk om in de coder * Λ -·\ λ £» £ ΐ·; ν;· ί;;οϊί * PHN 12.108 29 1 de *et de tijd variërende kansdichtheidsfuncties voor de sub-band signalen xp(k) te bepalen en de kwantisatoren 8(p) voortdurend zodanig in te stellen dat zij voor de aldus bepaalde kansdichtheidsfuncties optimaal zijn, naar in de praktijk is deze Mogelijkheid weinig 5 aantrekkelijk, omdat - nog afgezien van de aanzienlijke vergroting van de complexiteit van coder 1 die daartoe nodig is - ook de bitcapaciteit voor de gekwantiseerde uitgangssignalen van coder 1 aanzienlijk moet worden vergroot om de corresponderende optimale instelling van de dekwantisatoren 9(p) in decoder 2 te kunnen verwezenlijken. Aan de hand 10 van het blokschema van Fig. 12 zal nu worden geïllustreerd hoe voor kansdichtheidsfuncties geoptimaliseerde kwantisering kan worden toegepast op een betrekkelijk eenvoudige wijze, waarbij de benodigde bitcapaciteit voor de gekwantiseerde uitgangssignalen van coder 1 een slechts zeer geringe vergroting behoeft te ondergaan. Corresponderende 15 elementen in Fig. 1 en Fig. 12 zijn met dezelfde verwijzingssymbolen aangeduid.

In Fig. 12 bevat kwantistor 8(p) voor sub-band signaal Xp(k) vier vaste kwantisatoren die voor vier verschillende typen kansdichtheidsfunctie zijn geoptimaliseerd: kwantisator ü vooor het 20 uniforme type, kwantisator L voor het Laplace-type (ook bekend als het tweezijdig exponentiële type), kwantisator G voor het Gauss-type (ook bekend als het Normale type), en kwantisator A voor het Arcsinus-type (de kansdichtheidsfunctie voor de amplitude van een sinusoidale golfvorm). Evenzo bevat dekwantisator 9(p) de vier corresponderende 25 dekwantisatoren die zijn aangeduid met U-1, L-1, G-1 en A"1.

Deze vier typen kansdichtheidsfuncties zijn algemeen bekend, evenals de bijbehorende kwantisatoren (vergelijke sectie 2.2.2 van het hoofdstuk “Waveform Characterization* in het reeds genoemde boek van Jayant en Noll, pp. 31-34, en de reeds genoemde secties 4.3.2 en 4.4.1 van het 30 hoofdstuk 'Quantization*). De keuze van deze vier typen is gebaseerd op metingen, waaruit is gebleken dat in vrijwel alle gevallen de werkelijke kansdichtheidsfunctie voor een sub-band signaal xp(k) te modelleren is als één van deze vier typen. Om nu de fouten bij kwantisering zo klein mogelijk te houden wordt een blok (p;m) van een sub-band signaal 35 Xp(k) met behulp van de vier kwantisatoren U, L, G en A gekwantiseerd en daarna wordt de kwantisator geselecteerd die de kleinste kwantiseringsfout geeft. Aangezien in Fig. 12 gebruik gemaakt wordt van i ' r Bi} PHN 12.108 30 vaste kwantisatoren en corresponderende vaste dekwantisatoren, dient de adaptatie van de kwantiseringskarakteristiek aan het signaalniveau in een blok (p;m) te worden bewerkstelligd door een operatie op de signaalmonsters van dit blok (p;m) aan de ingang van elke kwantisator U, 5 L, G, A en door een corresponderende inverse operatie op de signaalmonsters van dit blok (p;m) aan de uitgang van elke dekwantisator -1 -1 -1 —1 U L , G A . In Fig. 12 is weergegeven hoe deze adaptatie wordt uitgevoerd in het geval dat parameter G(p;m) de over een blok (P;m) gemiddelde waarde van het vermogen van de signaalmonsters 10 representeert en de vaste kwantisatoren en dekwantisatoren zogeheten eenheids-variantie kwantisatoren en dekwantisatoren zijn (dat wil zeggen, ontworpen zijn voor signalen met een variantie gelijk aan één). In dit geval wordt een equivalente amplitudeparameter \jG(p;m)‘ afgeleid uit de in niveaudetector 7(p) bepaalde vermogensparameter 15 G(p;m) met behulp van circuits 38 en 39. De operatie aan de ingang van elke kwantisator U, L, G, λ is dan een deling van de amplitude van de signaalmonsters door deze parameter \/g(p;mf en de inverse operatie aan _1 „4 de uitgang van elke dekwantisator U , L , G , A dus een vermenigvuldiging van de amplitude van de signaalmonsters met deze 20 parameter G(p;m). Met het oog op de selectie van de kwantisator wordt in Fig. 12 het uitgangssignaal van elk van de kwantisatoren U, L, G en A na vermenigvuldiging met de relevante parameter \J G (p; m)' toegevoerd aan een circuit 40 voor het bepalen van de over een blok (p;m) gemiddelde waarde van het kwadraat van het verschil tussen dit uitgangssignaal en 25 het oorspronkelijke sub-band signaal xp(k). In circuit 40 wordt vervolgens bepaald welke van de vier aldus gemiddelde kwadratische verschilwaarden de kleinste is, en de desbetreffende kwantisator wordt aangeduid door een index met 2 bits. Circuit 40 voert deze index als selectiesignaal toe aan een selector 41 waarop de uitgangen van de 30 kwantisatoren U, L·, G en A zijn aangesloten. Aangezien circuit 40 de index eerst kan bepalen nadat alle M=32 signaalmonsters van een blok (p;m) zijn verwerkt, bevat selector 41 tevens een ingangsbuffer voor het tijdelijk opslaan van elk van de daaraan toegevoerde signalen voor de duur van een blok (p;m) van M signaalmonsters. Verder wordt de in 35 circuit 40 bepaalde index tevens gebruikt als selectiesignaal voor een distributor 42 in dekwantisator 9(p) waarop de ingangen van de , -1 -i _1 _ i dekwantisatoren U , L G en Ά zi]n aangesloten. Het V -·' -Γ·. ··'. A-- * * y‘? PHN 12.108 31 gekwantiseerde sub-band signaal sp(k) aan de uitgang van selector 41, dat afkomstig is van één van de vier kwantisatoren U, L, G en A, wordt aldus uitsluitend toegevoerd aan de dekwantisator (U~^, L·-^, G-^ of A“^) die correspondeert net de geselecteerde kwantisator (U, 5 L, G of A). De hierboven beschreven selectie op basis van de kleinste gemiddelde kwadratische kwantiseringsfout voor een blok (p;m) van M=32 signaalionsters resulteert in een verbetering van de kwaliteit van het gedekwantiseerde sub-band signaal xp(k). De voor deze verbetering benodigde vergroting van de bitcapaciteit voor de uitgangssignalen van 10 coder 1 in Fig. 1 bedraagt slechts 2 bits per blok (p;nt} van M=32 signaalionsters voor elk sub-band signaal xp(k). In het voorgaande is reeds vermeld dat in het gekozen uitvoeringsvoorbeeld een bitcapaciteit van 98,225 kbit/s vereist is voor alle sub-band signalen xp(k), en een bitcapaciteit van 11,025 kbit/s voor alle karakteristieke parameters 15 G(p;i) die elk met 8 bits per blok van M=32 signaalmonsters gekwantiseerd zijn. Voor alle indices, die elk 2 bits per blok van M=32 signaalmonsters vragen, is dan een extra bitcapaciteit van 2,756 kbit/s nodig. De totale bitcapaciteit die nodig is voor het representeren van alle uitgangssignalen van coder 1 in Fig. 1 neemt dus van een waarde van 20 109,250 kbit/s toe tot een waarde van 112,006 kbit/s, en het gemiddelde aantal bits per signaalmonster bij deze representatie neemt dus toe van een waarde van 2,477 bits per monster tot een waarde van 2,540 bits per monster. De voor de verbetering benodigde vergroting van bitcapaciteit respectievelijk gemiddelde aantal bits per monster bedraagt dus slechts 25 ongeveer 2,5*.

t' ' · 8 5

Claims (4)

1. Digitaal systeem met een coder en een decoder voor sub- band codering van een digitaal audiosignaal van gegeven bemonsterfrequentie 1/T, waarbij de coder is voorzien van: analysefiltermiddelen voor het in responsie op het audiosignaal 5 opwekken van een aantal van P sub-band signalen, welke analysefiltermiddelen de audiosignaalband volgens de kwadratuur-spiegel filtermethode met bemonsterfrequentie-verlaging opdelen in opeenvolgende sub-banden met bandnummers p (1<P<P) die toenemen met de frequentie, waarbij de bandbreedte en de bemonsterfrequentie 10 voor elke sub-band een geheel submultipel van 1/(2T) repectievelijk 1/T zijn en de bandbreedten van de sub-banden bij benadering corresponderen met de kritieke bandbreedten van het menselijk oor in de respectieve frequentiebereiken, middelen voor het in responsie op elk van de sub-band signalen 15 bepalen van een karakteristieke parameter G(p;m) die representatief is voor het signaalniveau in een blok met een voor elke sub-band zelfde aantal van H signaalraonsters, waarbij m het bloknummer is, middelen voor het in responsie op de respectieve karakteristieke parameters G(p;m) bloksgewijs adaptief kwantiseren van de 20 respectieve sub-band signalen; en waarbij de decoder is voorzien van: middelen voor het in responsie op de respectieve karakteristieke parameters G(p;m) bloksgewijs adaptief dekwantiseren van de gekwantiseerde sub-band signalen, 25. synthesefiltermiddelen voor het in responsie op de gedekwantiseerde sub-band signalen construeren van een replica van het digitale audiosignaal, welke synthesemiddelen de sub-banden volgens de kwadratuur-spiegel filtermethode met bemonsterfrequentie-verhoging samenvoegen tot de audiosignaalband. 30 met het kenmerk, dat de respectieve kwantiseermiddelen in de coder en de respectieve dekwantiseermiddelen in de decoder voor elk van de sub-banden met een bandnummer p kleiner dan p^m zijn ingericht voor het met een vast aantal van B(p) bits kwantiseren respectievelijk dekwantiseren 35 van de sub-band signalen, waarbij de sub-band met bandnummer p^m gelegen is in het deel van de audiosignaalband met de laagste drempelwaarden voor het maskeren van ruis in kritieke banden van PHN 12.108 33 het wenselijk oor door enkele tonen in het midden van de respectieve kritieke banden, de coder en de decoder elk verder zijn voorzien van bitallocatie-middelen die in responsie op de respectieve karakteristieke 5 parameters G(p;m) van de sub-banden met een bandnummer p niet kleiner dan p^a binnen een allocatieraam met een tijdsduur gelijk aan de bloklengte voor de sub-band met bandnummer p^m een aantal van B(p;m) bits uit een voor het allocatieraam voorgeschreven vast totaal aantal van B bits toewijzen aan de respectieve 10 kwantiseermiddelen in de coder respectievelijk de respectieve dekwantiseermiddelen in de decoder voor het blok met bloknummer m van de signalen van de sub-band met bandnummer p, welke bitallocatiemiddelen elk bevatten: - comparatormiddelen voor het binnen elk allocatieraam vergelijken 15 van de karakteristieke parameters G(p;m) met respectieve drempelwaarden T(p) voor de sub-banden met bandnummer p en voor het opwekken van respectieve binaire comparatiesignalen C(p;m) met een eerste waarde CiPim)*"!" voor een parameter G(p;m) niet kleiner dan drempelwaarde T(p) en een tweede waarde C(p;m)="0" 20 in het tegengestelde geval, welke drempelwaarden T(p) gerelateerd zijn aan de drempelwaarden voor het nog juist waarnemen van enkele tonen door het menselijk oor, - middelen voor het opslaan van een voorgeschreven allocatiepatroon iB(p)> van aantallen van B(p) kwantiseringsbits 25 voor sub-banden met respectieve bandnummers p, welke aantallen B(p) gerelateerd zijn aan de drempelwaarden voor het maskeren van ruis in kritieke banden van het menselijk oor door enkele tonen in het midden van de respectieve kritieke banden, - middelen voor het in responsie op het opgeslagen 30 allocatiepatroon {B(pH en de respectieve karakteristieke parameters G(p;m) en comparatiesignalen C(p;m) bepalen van een allocatiepatroon {B(p;m)> van respectieve aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits voor het blok met bloknummer m van de signalen van de sub-band met bandnummer p, welk allocatiepatroon iB(p;m)} 35 gelijk is aan het opgeslagen allocatiepatroon (B(p)} indien alle comparatiesignalen C(p;m) binnen een allocatieraam genoemde eerste waarde C(p;m)=“1* hebben en welk allocatiepatroon 8- n λ £ C·, / g V Y-r W ' PHN 12.108 34 lB(p;m)} in het tegengestelde geval gevormd wordt door aan blokken binnen een allocatieraam met een comparatiesignaal van genoemde tweede waarde C(p;m)="0" geen kwantiseringsbits toe te kennen en de som S van de binnen een allocatieraam voor 5 laatstgenoemde blokken beschikbare aantallen van B(p) kwantiseringsbits in het opgeslagen allocatiepatroon {B(pH toe te wijzen aan de blokken binnen een allocatieraam met een comparatiesignaal van genoemde eerste waarde C(p;m)s"1* en met de grootste waarden van karakteristieke parameter G(p;m) voor 10 het verkrijgen van aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits die groter zijn dan de corresponderende aantallen van B(p) kwantiseringsbits in het opgeslagen allocatiepatroon (B(p)), - middelen voor het toevoeren van het aldus bepaalde allocatiepatroon (B(p;m)} aan de respectieve kwantiseermiddelen 15 in de coder respectievelijk de respectieve dekwantiseermiddelen in de decoder.

2. Digitaal systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde bitalloactiemiddelen tevens middelen bevatten die in responsie op opeenvolgende karakteristieke parameters G(p;m) en 20 G(p;m+1) van elke sub-band met bandnummer p groter dan p^m: geen kwantiseringsbits toekennen aan blok (p;m+1) en de voor dit blok beschikbare aantallen van B(p;m+1) kwantiseringsbits toevoegen aan de genoemde som S, indien de verhouding Q=G(p;m)/G(p;m+1) groter is dan een voorgeschreven waarde R(p) in de orde van grootte 25 van 10^ èn blok (p;m+1) binnen het allocatieraam ligt; geen kwantiseringsbits toekennen aan blok (p;m) en de voor dit blok beschikbare aantallen van B(p;m) kwantiseringsbits toevoegen aan de genoemde som S, indien de verhouding Q=G(p;m)/G(p;m+1) kleiner is dan de waarde 1/R(p) èn blok (p;m) binnen het allocatieraam ligt.

3. Coder geschikt voor toepassing in een digitaal systeem voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal volgens conclusie 1 of 2.

4. Decoder geschikt voor toepassing in een digitaal systeem voor sub-band codering van een digitaal audiosignaal volgens conclusie 1 35 of 2, of voor het construeren van een replica van het digitale audiosignaal in responsie op signalen die oorspronkelijk zijn opgewekt door een coder volgens conclusie 3. Γ- ^ £ v -v ‘ · ·. * V; K ‘ 'i N %» v? * ’