PT99294A - Metodo para codificar e descodificar um sinal analogico por amostragem tendo uma naturaza repetitiva e um dispositivo para codificar e descodificar pelo referido metodo - Google Patents

Description

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A invenção reporta-se a um método para codificar um sinal analógico por amostragem tendo uma natureza repetitiva, no qual o sinal de amostra é segmentado em segmentos consecutivos contendo cada um um número pré-determinado de amostras; no qual é efectuado uma análise de predição de periodo curto nos referidos segmentos e no qual os coaficientes determinados na referida análise são transmitidos e são também alimentados para um filtro õb predição de periodo curto, no qual é efectuada uma análise de predição de periodo longo no sinal residual disponível à saida do referido filtro e a informação determinada na referida análise é também transmitida e na qual a informação presente no sinal residual é codificada e transmitida.

I A invenção reporta-se ainda a um método para descodificar um sinal codificado na forma acima descrita, na qual a informação da análise de predição de periodo longo recebida e a outra informação recebida do sinal residual são combinadas e o sinal combinado, conjuntamente com os coeficientes da análise de predição de periodo curto recebidos é alimentada para um filtro de predição de periodo curto inverso a cuja saida é enviada uma série de amostras a qual forma uma reconstrução do sinal analógico de amostragem. A invenção reporta-se ainda a um dispositivo para codificar e descodificar pelo método acima descrito. É sabido que os sinais analógi^ cos tendo uma natureza fortemente consistente tais como, por exemplo, cs sinais de conversação podem ser eficazmente codificados após amostragem executando consecutivamente um número de transformações diferentes em segmentos consecutivos do sinal do qual cada um tem uma duração de tempo parti- -4-

cular. Uma das transformações conhecidas para este fim é a codificação de predição linear (LPC) podendo fazer-se referência para uma explicação, ao livro intitulado "Digital Processing of Speech Signals" por L.R. Rabiner e R.W. Schaper, Prentice Hall, New Jersey; capitulo 8.

Conforme se declarou, o LPC é sempre usado para segmentos de sinais tendo uma duração de tempo particular, no caso de sàrais de conversação, por exemplo, 20 ms e é considerada uma codificação de período curto. É também sabido de se fazer uso só de uma predição de periodo curto mas também de uma predição de período longo (LTP) na qual uma codificação muito eficiente se obtem por uma combinação destas duas técnicas. O principio de LTP está descrito em Frequenz, volume 42, n° 2-3 1988; páginas 85-93 P. Vazy et al: "Sprachcodec fiir dass Europáische Fukforusprecnetz", (Codificador) descodificador de conversação para aquela rede europeia de Rádiotelefone," enquanto que uma versão melhorada de LTP está descrita na Dutch Patent Application 9001985.

O objectivo da invenção é providenciar um método para transmitir muito eficazmente i.e., com um pequeno numero de 6 its/segundo, a informação relevante ao ouvido humano no sinal residual remanescente após aplicar o principio STP sem a qualidade experimentada pelo ouvinte, da conversação reconstruída pelo descodificador no lado receptor sendo enfraquecida.

Para este fim, o método para codificar de acordo com a invenção é caracterizado por: o sinal residual ser transformado para o dominio da frequência, em que as amplitudes de pelo menos um numero dos componentes da frequência obtidos ao transformar para o dominio da frequência são combinados de uma forma tal que as frequências -5-

associadas com as amplitudes combinadas estão situadas equidistantes numa escala linear de Bark e em que um sinal é transmitido o qual é representativo das referidas amplitudes combinadas. 0 método para descodificar de acado com a invenção é caracterizado por: as amplitudes originais no domínio da frequência são reconstruídas dos valores combinados das amplitudes recebidos em que, a informação transmitida como resultado da análise de predição de período longo é utilizada para calcular os valores de fase associados com as referidas amplitudes e em que os valores de fase calculados conjuntamente com as amplitudes associadas, são transformados para o dominio de tempo.

De acordo com a presente invenção, o sianl residual é codificado perceptivelmente, o que significa que apenas que a informação que é trzansmi-tida a qual é relevante para diferenças no sinal descodificado recebido o qual pode ser detectado pelo ouvido humano.

Em primeiro lugar, faz-se uso para esle fim do facto conhecido^de que o ouvido humano não é sensível a valores de fase absolutos, mas apenas, a relacionamentos de fase, de forma a que não é necessário em principio transmitir a informação de fase do sinal rsidual a ser codificado, conquanto apenas que seja possível reconstruir os relacionamentos originais de fase na ponta receptora.

Em acrescento, a presente invenção, faz uso do conhecimento profundo desde alqum tempo de que o ouvido humano funciona de facto como uma cadeia consistindo de um número de filtros tendo frequências em bandas adjacentes mas tendo diferentes larguras de banda -6-

as assim chamadas bandas criticas de Barks, a largura de banda das tais bandas criticas, sendo muito menores para baixas frequências de que para altas frequências. Uma escala de frequências formada de acordo com este discernimento refere-se como uma escala linear de Bark.

Para mais explicações do principio da escala de Bark, refere-se a B. Scharf e S.

Buus, "Stimulus, Physiology, Thoresholds" em L. Kaupmank. e Boft e J.P. Thomas, editores, Handbook of Perception and Human Performance, capitulo 14, páginas 1-43, Wiley, New York, 1986.

Assinala-se também que o

principio de transformar primeiro um sinal residual a ser transmitido em codificação de conversação para o dominio da frequência e a transmissão, depois da informação disponível após esta transformação ter sido já posta anteriormente à frente. Para este fim pode-se referir, por exemplo, ao folheto intitulado 11 transformadas de Eourier de Vectores de Quantificação para Codificação de Conversação” por P. Chang et al., em ICEE Transcations ou Communications, Vol. COM. 35 NQ 10, pág. 1059 a -1068. De acordo com esta publicação contudo, após as transformações faz-se uso da quantificação vectorial e não há menção de transmitir puramente informação de ampolitude. A invenção será explicada em maior detalhe abaixo na base de uma execução exemplar com referência com o desenho, oposto: -Ί

Α figura la mostra uma diagrama de blocos de uma execução exemplar de uma unidade de descodificação para o dispositivo de acordo com a invenção .

Um sinal analógico enviado

por um microfone (1) está limitado em largura de banda por um filtro de baixo-fluxo (2) e convertido num conversor análogo/digital (3) numa serie de amplitudes e amostras de tempo discretas as quais são representativas do sinal analógico. 0 sinal de saida do conversor (3) é alimentado ao imput de uma unidade de análise de periodo curto (4) e ao imput de um filtro de predição de periodo arto (5). Estas duas unidades fornecem para se, acima mencionada predição de periodo curto (STP) em segmentos de, por exemplo, 160 amostras e aunidade de análise 4 providencia um sinal de saida na forma de coeficientes de predição de periodo curto os quais são quantificados, codificados e transmitidos à unidade de descodificação mostrada na figura l.b. A estrutura e função do filtro (5) e a unidade (4) são bem conhecidos aos que estão práticos na matéria no campo da codificação da conversação e não são de maior importância para a essência da presente invenção, por forma a que se pode omitir uma maior explicação. O sinal STP filtrado é alimen tado a uma unidade de análise de periodo longo (LTP). Nesta unidade de análise é aplicada uma análise LTP duas vezes por segmento de 160 amostras de uma maneira tal qual descrita, por exemplo, em Dutch Patent Application 9001983. Numa tal análise LTP paa um segmento do sinal a ser codificado, é sempre feita uma pesquisa, de acordo com uma estratégia de pesquisa particular, para um segmento o qual é tão similar quanto possivel num periodo de sinal precedendo o referido segmento tendo uma duração particular e um periodo de sinal precedendo o referido segmento tendo uma duração -8-

I

de sinal precedendo o referido segmento tendo uma duração particular e um sinal é transmitido em forma codificada a qual é representativa do numero de amostras D situadas entre o instante inicial do segmento encontrado e o instante inicial do segmento a ser codificado. O sinal de saida da unidade de filtro STP5 é referido como o sinal residual e, de acordo com a invenção, o referido sinal residual é transmitido em forma de código de uma forma tal que, apenas a informação tida como perceptivel, é relevante e é transmitida. Pare este fim, os segmentos de 160 amostras no referido sinal residual são divididos em 8 subsegmentos de 30 amostras no circuito (7). Isto faz-se dividindo primeiro o segmento fornecido em oito subsegmentos de 20 amostras e depois completando estes na parte da frente com as dez últimas amostras do subsegmento anterior.

Isto implica que as dez últimas amostras de cada segmento têm de ser armazenadas por forma a também ser possivel completar o primeiro subsegmento do segmento subsequente. Então, todo o subsegmento de 30 amostras é multiplicado num circuito 8 por uma função de janela tal como por exemplo uma função coseno,a função janela é assim escolhida por forma a que, para cada amostra nas partes sobrepostas dos segmentos, a soma dos quadrados dos dois facto-res multiplicativos seja a unidade. A razão porque isto tem de ser o caso para os quadrados é que a multiplicação pela função de janela toma parte tanto na unidade de codificação e na unidade de descodificação mostradas na figura lb. Uma transformada de Eourier Discreta (DFT) é executada no subsegmento na janela no circuito (9), sendo obtidos 16 diferentes componentes de frequência, numerados de 0 a 15 inclusive; as amplitudes A das componentes 1 a 13 inclusive são calculadas num circuito (10). As componentes 0, 14 e 15 podem ser ignoradas porque estão situadas fora da banda de frequência dos 300 - 3.400 kz escolhidos para a comuni- cação da conversação. Se por relevante uma maior ou menor banda de frequência, o número de componentes de amplitude levadas em consideração pode ser ajustado concordantemente. Começando dos referidos 13 componentes , quatro dos assim chamados componentes de amplitude de Bark são calculados no circuito (11). Estas são amplitudes associadas com as frequências as quais se situam equidistantes numa escala linear de Bark. Os componentes de amplitude de Bark B1 a B^ inclusive podem, por exemplo, ser calculados como se segue das amplitudes do DFT a A^3 inclusive:

caso seja desejado, um factor de ganho G será calculado como um valor de escala no circuito (12) dos quatro componentes de amplitude de acordo com:

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A aplicação do valor de escala G tem a vantagem que as amplitudes em escala podem ser codificadas mais eficientemente. 0 valor de G é quantificado nun circuito (13) e então transmitido à unidade de descodificação. Se o factor do escala G tiver sido calculado, toda a componente Bark é dividida pelo factor de quantificação G no circuito (14). O resultado desta divisão é quantificado no circuito (15) codificado e então é também transmitido à unidade de descodificação.

Se não se fizer uso de um valor de escala, os circuitos (12) (13) e (14) podem ser omitidos e os quatro valores calculados para os componentes de amplitudes de Bark podem ser transmitidos directamente após quantificação no circuito (15).

Após descodificar num circuito (16)na unidade de descodificação, os quatro componentes de escala de amplitude de Bark são multiplicados num multiplicador (18) pelo factor de ganho G, descodificado num circuito (17) como resultado do qual os componentes de amplitude de Bark reconstruídos $^a inclusive, se obtêm.

Isto é claro não se aplica se não se usar qualquer factor de escala na unidade de codificação. Num circuito (19) as amplitudes no dominio de frequência $ a inclusive (equidistantes na escala H ) são calculados por meio das seguintes fórmulas: z -11-

A3 “4 Â5 V2 3? N 3

Λ

Por forma a ser capaz de transformar os 13 componentes de frequência considerados no codificador de volta ao dominio do tempo por meio de um DFT inverso (IDFT) no circuito IDFT, são requeridas as fases e as amplitudes.

As fases são deter"mi.nadas

da seguinte maneira com a ajuda da informação da LTP descodi ficada no circuito (23) e consistindo no espacejamento de amostragem D.

As 120 amostras mais recentes do residuo STP reconstruído tal como se apresentam à saida do circuito (22) a serem discutidas em maior detalhe abaixo são armazenadas em cada caso. Num circuito (24), o subsegmento é determinado o qual está situado a um espacejamento de D amostras no passado com respeito ao subsegmen to presente e este subsegmento é multiplicado num circuito (23) pela mesma função de janela como para usado no circuito (8) na unidade de codificação. -12-

Aplica-se então um DFT ao

referido subsegmento num circuito (26) após o qual as fases dos 13 componentes considerados podem ser calculados num circuito (27). Com o auxilio das fases determinadas desta maneira e as amplitudes já calculadas, é então executado um IDFT no circuito (20) sendo as amplitudes de ,

Ais e postas iguais a zero. À saida do circuito (20) uma reconstrução do subsegmento, de 30 amostras de dimensão está agora disponível, mas isto foi também modificado pela função de janela executada na unidade de codificação. O subsegmento reconstruído é portanto modificado novamente pela função janela num circuito (21). No caso das primeiras dez amostras do subsegmento agora multiplicadas pela função janela, as dez íltimas funções armazenadas para este fim, do segmento antecedente, multiplicadas duas vezes pela função de janela são adicionadas no circuito (22).

Como resultado disto, a soma dos factores multiplicativos nas dez amostras resultantes é igual à unidade.

As últimas dez amostras neste subsegmento são armazenadas. As primeiras 20 amostras formam uma porção da reconstrução de um segmento do residuo STP. Após terem sido reconstruídos 8 subsegmentos e combinados , obtem-se um segmento completamente reconstruído do residuo STP e este está situado a dez amostras no passado com respeito ao segmento no qual foi efectuada a análise STP na unidade de codificação.

Executa-se uma filtragem inversa STP neste segmento num circuito (28) de uma forma conhecida per si com o auxilio dos coeficientes STP recebidos sendo usados os coeficientes de filtragem do segmento anterior para as primeiras dez amostras. O sinal de saida do filtro (28) é convertido num conversor digital analógico (29) num sinal analógico o qual é alimentado via filtro de passo baixo (30) a um altifalente (31) o qual dá uma alta fidelidade de reprodução do sinal de conversação fornecido ao microfone (1) tendo sido possível transmitir o referido sinal de conversação em forma codificada com uim baixo numero de bits devido às medições de acordo com a invenção.

Se desejado, um circuito (23) pode ser incluido entre os circuitos (23) e (24) para sujeitas em primeiro lugar o valor de D recebido pelo descodificador adicionalmente a um numero de operações por forma a obter um valor óptimo de D para a reconstrução do sinal de conversação. Isto podem ser três operações consecutivas. 1) Se a serie de valores de D recebidos exibem uma tendência, o D recebido presentemente se cai fora da referida tendência por uma certa margem, é substituído por um valor o qual se mantém com a referida tendência. Os algoritmos para determinar uma tendência numa serie de valores consecutivos e para determinar um valor de substituição para um sinal que cai fora da referida tendência são bem conhecidos por si para aqueles que são conhecedores da matéria. 2) Três valores intermédios (I-|_, I2 e I3) são calculados entre dois valores consecutivos de D (D^ e T>2) possivelmente ajustados com o auxilio de um tal algoritmo, por meio de uma interpolação. Isto é feito por exemplo da seguinte forma: Ιχ = 0.75 * Dx + 0.25 * D2 12 = 0.5 * Dx + 0.5 * D2 13 = 0.25 * Dj_ + 0.75 * D2 A interpolação é levada a cabo porque o espacejemento D é determinado na unidade de codificação duas vezes por segmento. Sem interpolação, a descodificação de qstro subsegmentos consecutivos será levada a cabo com o mesmo valor de D. Se não se apresentar qualquer regularidade fundamental no sinal, na unidade de codificação, uma regularidade seria consequente e erradamente providenciada no descodificador durante quatro subsegmentos. Este problema é ultrapassado pela interpolação.

Se a regularidade fundamental estiver de facto presente no sinal de conversação o espacejamento de repetição no sinal variará em geral, lenta^ mente. Devido à interpolação a varaiação no valor de D tem agora também uma natureza suave no descodificador. 3) Após equalisar os valores de D por, ser necessário, calculando um valor de substituição e após a interpolação, o espacejamento D calculado correspon de tão bem quanto possivel com o espacejamento de rqetição actual presente no sinal. ui

Se, contudo, o referido espacejamento D for menor que 30, D é multiplicado por um inteiro o qual é escolhido de uma forma tal que o resultado é um minimo igual a 30. Isto é necessário porque todas as amostras de um subsegmento a um espacejamento menor que 30 com respeito ao segmento presente ainda não foi reconstruído de modo a que não podem portanto ser usados para calcular as fases. A razão pela qual os espacejamentos D de menor que 30 amostras são, não obstante transmitidos é que, se a regularidade fundamental no sinal envolver um numero de amostras menor que 30, isto evita o espacejamento D de descodificação de assumir valores que sejam mutuamente múltiplos desiguais da repetição actual do espacejamento. Como resultado disso, o algoritmo de equali-zação teria menor oportunidade de detectar a tendência.

Claims (1)

1. REIV INDICAÇÕES: 1§. - Método para codificar um sinal analógico por amostragem tendo uma natureza repetitiva, no qual o sinal de amostragem é fragmentado em segmentos consecutivos contendo cada um um número pré-determinado de amostras; no qual é executada uma análise de predição de periodo curto nos referidos segmentos e na qual os coeficientes determinados na referida análise são transmitidos e são também alimentados a um filtro de predição de periodo curto, no qual uma análise de predição de periodo longo efectuada no sinal residual disponível à saida do referido filtro e a informação determinada na referida análise é também trznsmitida e na qual a informação presente no sinal residual é codificada e transmitida, caracterizado por o sinal residual ser transformado para o dominio de frequência, no qual as amplitudes de pelo menos um número de componentes da frequência obtidos na transformada para o dominio da frequência são combinadas de uma forma tal que as frequências associadas com as apmplitudes combinadas estão situadas equidistantes numa escala linear de Bark e em que um sinal é transmitido o qual é representativo das referidas amplitudes combinadas. 2st. - Método para descodificar um sinal codificado pelo método de acordo com a reivindicação 1, no qual a informação da análise de predição a longo periodo recebida e a outra informação recebida do sinal residual são combinadas e o sinal combinado, conjuntamente com os coeficientes da análise de predição de periodo curto recebidos é alimentado para um filtro de predição de periodo curto, inverso, a cuja saida uma série de amostras é enviada a qual é repesentativa do sinal analógico por amostragem caracterizado por: as amplitudes originais no dominio da frequência serem reconstruídas a -17- -17-

   partir dos valores recebidos das amplitudes combinadas, em que a informação transmitida como jresultado da análise de predição de periodo longo é usada para calcular os valores da fase associadas com as referidas apmplitudes e em que os valores de fase calculados conjuntamente com as amplitudes associadas são transformadas para o domínio tempo. 3ã. - Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: as amplitudes de treze 1 13 componentes de frequências A a A inclusive obtidas na transformada para o domínio das frequências serem transformadas em amplitudes B^ a inclusive os quatro componentes de frequências situado equidistantes numa escala de Bark de acordo com:

   e em que estes valores para B são transmitidos após quantificação. 4§. - Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado par: Um factor de escala G ser calculado para os quatro componentes de frequência a inclusivé situados equidistantes numa escala de Bark de acordo com: G

   BÍ * 3 * em que este valor para G é quantificado e em que os valores de a B4 inclusivé são divididos pela quantificação do factor de escala antes de serem quantificados. 5§. - Método de acordo com a reivindicação 2 e 3 ou 4 caracterizado por: os valores das amplitudes combinadas a serem construídos a partir da informação recebida em que os valores das amplitudes a A-^2 inclusivé são daí obtidos de acorda com:

   n 2

   -19-

   e em que a informação transmitida como resultado de uma análise de predição a longo periodo é representativa do número de amostras D o qual está situado entre o instante inicial de um grupo de amostras encontrado com o auxilio da análise de predição de periodo longo e transmitida anteriormente e o instante inicial de um grupo de amostras a ser descodificado. 6a. - Método de acordo com a reivindicação 5 caracterizado por: O grupo de amostras transmitido anteriormente o qual está situado num espacejamento D com respeito a um grupo de amostras a ser descodificado ser transformado para o dominio da frequência, em que o valor da fase é determinado de pelo menos um número dos componentes de frequência calculados com a referida transfor mação em que os referidos valores de fase são combinados com os valores das amplitudes A^ a A^ inclusive e em que estas combinações são transformadas pas o dominio do tempo. 7§. - Método de acordo com

   as reivindicações 5 ou 6 caracterizado por: a variação nos valores recebidos de D ser igualada de acordo com um algoritmo pré-determinado por, se necessário, calculando um valor de substituição para um valor recebido de D e em que três valores intermédios são calculados para D entre dois valores consecutivos de D por meio de interpolação. 8ã. - Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por: serem calculados três valores intermédios 1^, e 1^ dos valores conhecidos e D£ de acordo com: -20- Ij_ = 0.75 * Dx + 0.25 * D2 12 = 0.5 * D1 + 0.5 * D2 13 = 0.25 * Dx + 0.75 * D2 9^. - Dispositivo para executar o método de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 8 inclusive. Lisboa, 22 de Outubro de 1991

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