Устройство кодирования и декодирования сигналов звукового вещания Советский патент 1991 года по МПК H03M13/02 H04L17/30 

щие выходы формирователя управляющих импульсов, первый выход блока синхронизации подключен к синхронизирующим входам второго преобразователя кода, первого и второго буферных запоминающих блоков,

блока обратного преобразования Фурье и формирователя управляющих импульсов, а второй выход блока синхронизации подключен к входам Входная частота первого и второго преобразователей кода.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в цифровых системах стереосопровождения телевидения, в цифровых системах радиовещания и многофункциональной связи, в наземных и спутниковых цифровых системах междугородной передачи программ звукового вещания, в цифровых системах записи, хранения и воспроизведения звуковых сигналов.

Целью изобретения является увеличение пропускной способности при сохранении высокого качества воспроизведения сигналов звукового вещания при декодировании.

В данном устройстве в каждой из 24 критических полос слуха выделяется спектральная составляющая с наибольшей абсолютной величиной действительной части и спектральная составляющая с наибольшей по абсолютной величине мнимой части. По этим спектральным составляющим выбираются значения порядка кода с поблочно плавающей запятой, а затем производится кодирование спектральных составляющих данной критической полосы. При этом разрядность Km мантиссы выбирается так, чтобы обеспечить необходимую величину ошибки кодирования наибольшей спектральной составляющей. Разрядность Кп порядка должна обеспечивать возможность перекрыть весь диапазон изменения спектральной составляющей, который равен 16 разрядам. Ошибки кодирования остальных спектральных составляющих могут превышать заданную величину, так как они все равно не будут восприниматься слухом из-за эффекта маскировки внутри критических полос слуха.

На фиг.1а представлена структурная электрическая схема кодера; на фиг. 16 - схема декодера устройства кодирования и декодирования сигналов звукового вещания; на фиг.2 и 3 - преобразователи кода кодера и декодера соответственно; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство кодирования и декодирования сигналов звукового вещания содержит кодер, в состав которого входят фильтр нижних частот (ФНЧ) 1, аналого-цифровой пре-

образователь (АЦП) 2, буферный запоминающий блок 3, блок 4 прямого преобразования Фурье, первый 5 и второй 6 преобразователи кодов, формирователь 7

управляющих импульсов (УИ) и блок 8 синхронизации, причем каждый из преобразователей кода 5 (6) содержит буферный запоминающий блок 9, кодер 10 кода с плавающей запятой, детектор 11 порядка максимального элемента и регистр 12 кода порядка, и декодер, в состав которого входят первый 13 и второй 14 преобразователи кода, первый 15 и второй 16 буферные запоминающие блоки, формирователь 17 УИ,

блок 18 обратного преобразования Фурье, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 19, ФНЧ 20 и блок 21 синхронизации, причем каждый из преобразователей кода 13 (14) содержит первый ключ 22, 4-разрядный

регистр 23 кода порядка, компаратор 24, второй ключ 25, первый 26 и второй 27 регистры кода мантиссы, блок 28 ключей, выходной 16-разрядный регистр 29, третий ключ 30 и счетчик 31.

Устройство кодирования и декодирования сигналов звукового вещания работает следующим образом.

Работа АЦП 2, буферного запоминающего блока 3, блока 4 прямого преобразования Фурье, первого 5 и второго 6 преобразователей кода и формирователя 7 УИ синхронизирована сигналом тактовой частоты 16 Рд, поступающим на соответствующие входы этих блоков с первого выхода

блока 8 синхронизации, с второго выхода которого выходная тактовая частота Рвых поступает на входы первого 5 и второго б преобразователей кода.

Аналоговый сигнал индивидуального

канала звукового вещания поступает на вход ФНЧ 1, который ограничивает полосу частот входного сигнала до Рв 15 кГц, с выхода которого сигнал поступает на вход АЦП 2, где производится выборка

сигнала с частотой дискретизации по времени Рд 32 кГц, квантование и кодирование снятых отсчетов 16-разрядным линейным кодом. Сформированные в АЦП 2 кодовые слова отсчетов с тактовой частотой

Рд поступают на вход буферного запоминающего блока 3 емкостью 2N 16-разрядных кодовых слов, который осуществляет задержку последовательности кодовых слов на 2IM/FA с с целью согласования выхода АЦП 2 с входом блока 4 прямого преобразования Фурье, обрабатывающего блоки по N кодовых слов. После накопления в буферном запоминающем блоке 3 2N кодовых слов кодовые слова, соответствующие первым N отсчетам вещательного сигнала, последова- тельно считываются и подаются на вход блока 4 прямого преобразования Фурье, в котором на основе быстрого алгоритма преобразования Фурье вычисляется спектр последовательности из N отсчетов, т.е. на интервале времени AT М/РД производится текущий спектральный анализ вещательного сигнала.

С выхода блока 4 прямого преобразования Фурье с тактовой частотой Рд последо- вательно снимаются 16-разрядные кодовые слова действительных и мнимых частей комплексных коэффициентов дискретного разложения в ряд Фурье. Отрезку сигнала длиной в N отсчетов соответствует N/2 + 1 комплексных коэффициентов разложения

Хт - Хт + 1Хт(т 0N/2), расположенных

на оси частот равномерно с шагом Д f Ffl/N Гц. Первому коэффициенту Х0 соответствует частота f0 0, а последнему Хы/2 - частота fw/2 Рд/2. Первый и последний коэффициенты разложения всегда действительны, т.е. Хо 0 и Хм/2 0, а остальные коэффициенты - Xi, ..., XN/2-1 - комплексные. Таким образом, спектр вещательного сигнала длиной в N отсчетов определяется N числами, представленными в 16-разрядном линейном коде, где разряды кодового слова действительных частей отмечены штриховкой с правым наклоном, а разряды мнимых частей - с левым наклоном.

В первом 5 и втором 6 преобразователях кода кодера производится преобразование 1-разрядного линейного кода соответственно действительных и мнимых частей спектральных составляющих в код с поблочно плавающей запятой, т.е. код, применяемый в импульсно-кодовой модуляции с почти мгновенным компандированием. В данном случае отличие состоит в том, что во-первых, вместо последовательности отсчетов сигналов звукового вещания, взятых во времени, поступает последовательность действительных или мнимых частей его спектральных составляющих и, во-вторых, длина блока кодируемого с постоянным значением порядка (масштабный коэффициент) переменная и задается управляющими сигналами, поступающими на четыре управляющих входа первого 5 и

второго 6 преобразователей кода с соответствующих выходов формирователя 7 (фиг 4 б,в,г,д,е,ж,з,и) соответственно.

Положительные импульсы, снимаемые с выходов формирователя 7 (фиг.4 б,е), открывают входы буферных запоминающих блоков 9 каждого преобразователя кода 5 (6) в те моменты времени, когда на них поступают кодовые слова действительных и мнимых частей спектральных составляющих. Сигналы, поступающие на другие входы каждого преобразователя кода 5 (6) с выходов формирователя 7 (фиг.4 в,ж) управляют считыванием информации с детекторов 11 порядка в регистры 12 кода порядка и в кодеры 10 кода с плавающей запятой. Положение управляющих импульсов во времени определяется следующим образом. Импульсы считывания должны появиться в те моменты времени tm, когда в буферном запоминающем блоке 9 накоплены кодовые слова действительных и мнимых частей спектральных составляющих, принадлежащих одной частотной группе. В m-ю частотную группу входят Im действительных и Im мнимых частей спектральных составляющих, причем в первой и в последней 24-й частотных группах число действительных частей на единицу больше, чем число мнимых частей спектральных составляющих, т.е. Ii - Ii + 1, 24 124 + 1, а в остальных частотных группах Im Гт

(т 2,3 23). Следовательно, начало

Зт-го импульса считывания при обработке -го блока

tm (§ I, + Г/ )/Рд + 1ЦШ . J 1hfl

Импуяьсы считывания для первого 5 и второго 6 преобразователей кодера начинаются в одни и те же моменты времени tm. С других выходов формирователя 7 поступают импульсы, управляющие считыванием разрядов порядка из регистров 12 кода порядка (фиг.4 г,д), и импульсы, управляющие считыванием кодовых слов из буферных запоминающих блоков 9 и в кодеры кода 10 с плавающей запятой (фиг.4 д,п) первого 5 и второго 6 преобразователей кода.

Кодеры 10 кода с плавающей запятой осуществляют выделение из 16-разрядных кодовых слов разрядов мантисс в соответствии с введенными в них кодовыми слова порядка (фиг.4 к), где разряды кодового слова мантисс действительных частей спектральных составляющих отмечены штриховкой с правым наклоном, а разряды мантисс мнимых частей - штриховкой с левым наклоном, контрольные слова порядка

отмечены двойной штриховкой, причем сначала следует слово кода порядка действительных частей спектральных составляющих, а затем - мнимых.

Тактовая частота импульсов на выходе преобразователей кода 5 и 6

РВЫх (2-24- Кп + Km/N) Рд /N.

где Кп - разрядность порядка; Кт - разрядность мантиссы. Работа первого 13 и второго 14 преобразователей, первого 15 и второго 16 буферных запоминающих блоков, формирователя 17 УИ, блока 18 обратного преобразования Фурье и ЦАП 19 декодера синхронизирована сигналом тактовой частоты 16 Рд, поступающим на соответствующие входы 3iwx блоков с первого выхода блока синхронизации, с второго выхода которого тактовая частота Рвх Рвых следования разрядов кода с поблочно плавающей запятой подается на соответствующие входы первого 13 и второго 14 преобразователей кода.

Цифровой поток разрядов кода с поблочно плавающей запятой поступает на информационные входы первого 13 и второго 14 преобразователей кода, которые преобразуют кодовые слова кода с поблочно плавающей запятой действительных и мнимых частей спектральных составляющих в кодовые слова 16-разрядного линейного кода. На управляющие входы первого 13 и второго 14 преобразователей кода поступают импульсы с соответствующих выходов формирователя (фиг.4 л,м,н,и,т,у,ф) управляющие первым 22, вторым 25 и третьим 30 ключами соответствующих преобразователей кода 13 (14). Импульсы (фиг.4 л,м,н) открывают соответствующие ключи 22,25 и 30 первого преобразователя кода 13 для того, чтобы выделить из принимаемого цифрового потока соответственно разряды порядка, разряды мантиссы (без знакового разряда) и знаковые разряды мантиссы кода действительных частей спектральных составляющих. Импульсы (фиг.4 т,у,ф) формирователя 17 открывают соответствующие ключи 22,25 и 30 второго преобразователя кода 14, отрабатывающего кодовые слова мнимых частей спектральных составляющих.

Разряды кода порядка записываются в 4-разрядный регистр 23 кода порядка, откуда в параллельном коде поступают на входы компаратора 24, на другие входы .которого подается сигнал с выходов счетчика 31, на первый вход которого поступают импульсы с первого выхода блока 21 синхронизации с тактовой частотой 16 Рд. На выходе компаратора 24 формируется сигнал, который управляет блоком 28 ключей и одновременно устанавливают в исходное состояние счетчик.

Разряды кода мантисс с тактовой частотой Рвых поступают на вход Кт-разрядного первого регистра 26 кода мантиссы, откуда они в параллельном коде переписываются на места Кт младших разрядов 15-разрядного второго регистра 27 кода мантиссы, в

0 котором они сдвигаются с частотой 16 Рд на необходимое количество тактов, определяемое кодом порядка. В определенный момент времени управляющий сигнал открывает блок 28 ключей и содержимое

5 второго регистра кода мантиссы в параллельном коде переписывается в выходной 16-разрядный регистр 29. Во время перезаписи разрядов мантиссы из первого регистра 26 кода мантиссы во зторой регистр 27

0 кода мантиссы ее знаковый разряд с выхода третьего ключа 30 записывается в выходной 16-разрядный регистр 29, в котором формируется кодовое слово 16-разрядного кода отсчетов.

5С выходов первого 13 и второго 14 п реобразователей кода восстановленные 16-разрядные кодовые слова отсчетов поступают на входы первого 15 и второго 16 буферных запоминающих блоков, которые пред0 назначены для согласования записи в блок 18 обратного преобразования Фурье. На управляющие входы первого 15 и второго 16 буферных запоминающих блоков с соответствующих выходов формирователя

5 17 поступают импульсы, управляющие записью кодовых блоков в соответствующие буферные запоминающие блоки 15 (16) и их считыванием (фиг.4 о,п,р,с). Емкость первого буферного запоминающего блока

0 15 составляет 2x16 (N/2 + 1) бит, емкость второго буферного запоминающего блока 16-2 х 16(N/2- 1)бит.

Блок 18 обратного преобразования Фурье осуществляет обратное преобразо5 вание Фурье, в результате чего из блока спектральных составляющих восстанавливается блок из N отсчетов, представленных в 16-разрядном линейном коде. С выхода блока 18 обратного преобразования Фурье

0 16-разрядные кодовые слова отсчетов поступают на вход ЦАП 19, осуществляющего восстановление квантованных отсчетов исходного сигнала, выход которого подключен к ФНЧ 20, сглаживающий кванто5 ванные отсчеты сигнала звукового вещания и, таким образом, восстанавливающий исходный аналоговый сигнал.

Предложенное устройство кодирования и декодирования сигналов звукового вещания обеспечивает качество звучания

сигналов звукового вещания не хуже качест- нейным кодом, при скорости цифрового по- ва исходного цифрового сигнала, отсчеты тока на выходе устройства почти в 2 раза которого закодированы 16-разрядным ли- ниже, чем в известном устройстве.

1

Фаг./

f -i

т-ый 8лок(/У is-разрядных кодобых сло

IMS... MSS

. ь т п ги-и-„. ., ...

(m-r) Јлок/п-ыц, &ТОК

a ojir... jnjTjarmjr.,...JT

........и..,...лгит

(m-i) ий 6/ю«т-ьш лок(

кШШЁД...WJ M AW --шщш %ш, .®ш...1етшшжш..

н ... JTJIJIAJIJT..,

н JLJl... ....,....l Ji J iLL JL l JU IL

((u S/tOKtn-blU $/IOK

о Tjnj.,njnjnjnJ4n..,UT...,JTn

lm-tl-ый SAOK)1-ыи 5лок

,rijnJTrTri..,.runj LJ::iЈr

lm-0-ый &лох

Блок

...-U- .r . lm-Ц-ыи блок

TJTJl..irbf...JTTiriJ-l..

1Л-ЫЙ , &ioK

...... ..:TJTjn rLr...LTLrLn

ПП

RJ. .TJ1TLTLTIП....ГЪГ1 JT

Jl. ......JLJ .

Фиа.З

fm.jjl-ый Плох

...

(шч)-ый блох

Г... JU1. ...

jn

Блок