Устройство для кодирования и декодирования звуковых сигналов Советский патент 1992 года по МПК H03M3/00 H04B1/64 H04B14/04 

Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи и может быть использовано в цифровых системах записи, хранения,воспроизведения и передачи звуковых сигналов.

Цель изобретения - повышение информативности устройства за счет повышения эффективности кодирования звукового сигнала.

На фиг.1 и 2 изображены блок-схемы соответственно кодирующей и декодирующей частей устройства; на фиг.З приведены диаграммы заполнения матричного запоминающего блока.

Устройство состоит из кодирующей и декодирующей частей, соединенных каналом связи. Кодирующая часть содержит фильтр 1 нижних частот (ФНЧ), аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 2. буферный запоминающий блок 3, блок 4 прямого спектрального преобразования, матричный запоминающий блок 5, мультиплексор 6, преобразователь 7 кода с поблочно-плавающей запятой, делитель 8 частот и блок 9 синхронизации.

Декодирующая часть содержит (фиг.2) преобразователь 10 кода с мгновенным компандированием, демультиплексор 11,

VI

S

ю ю

матричный запоминающий блок 12, блок 13 обратного спектрального преобразования, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, ФНЧ 15, делитель 16 частоты и блок 17 синхронизации.

В преобразователь 7 кода с поблочно- плавающей запятой объединены такие блоки прототипа второй запоминающий блок, детектор порядка максимальной составляющей, регистр кода порядков, блок формирования адреса считывания мантиссы и формирователь потока порядков,

Блок 9 синхронизации формирует на своих первом - седьмом выходах следующие сигналы

-сигнал с частотой тд дискретизации импульсно-кодовой модуляции (ИКМ);

-сигнал тактовой частоты fT;

-сигнал с частотой fбл смены блоков;

-сигналы управления блоком формирования адреса считывания мантиссы в преобразователе 7 кода с частотами соответственно fence И fpaapl

-сигнал управления формирователем потока порядков в преобразователе 7 кода с периодом Тпор;

-сигнал границ частотных групп ТГр. Частоты сигналов fen и ТГр делятся в М

раз (значение М поясняется ниже) делителем 8 частот.

В преобразователь 10 кода с мгновенным компандированием объединены такие блоки прототипа блок формирования адреса записи спектральных составляющих, регистр кода порядков и запоминающий блок.

Блок 17 синхронизации формирует на своих первом - шестом выходах следующие сигналы Тд, ft, бл, tcnoe, тразр, Тпор.

Устройство работает следующим образом.

Входной аналоговый сигнал подается на ФНЧ 1, который служит для устранения спектральных составляющих входного сигнала, лежащих выше частоты тд/2, т.е. выполняет функцию так называемого ан- тиэлайзингового фильтра, и в АЦП 2 преобразуется в цифровой вид ИКМ, Далее выборки по N отсчетов сигнала ИШ накапливаются в буферном запоминающем блоке 3 и подвергаются спектральному преобразованию в блоке 4, например, дискретному косинусному преобразованию (ДКП). Вычисление ДКП обычно производится через вычисление дискретного преобразования Фурье, с которым ДКП имеет несложную аналитическую связь.

После преобразования в частотную область выборки по N спектральных отсчетов записывается в строки матричного запоминающего блока 5, При этом в его столбцах оказываются записанными спектральные составляющие с одинаковыми номерами в своих выборках, т.е. соответствующие одинаковым частотам и расположенные -в выборках, следующих по времени друг за другом (фиг.З).

В прототипе 3 при кодировании выборки из N спектральных коэффициентов ДКП

0 эти коэффициенты разбиваются на группы, соответствующие в теории восприятия звуковых сигналов частотным группам. Исследования показывают, что таких групп в полосе частот 20-16000 Гц 24. Каждая такая

5 группа представляется в коде с поблочно- плавающей запятой, причем порядок выбирается по максимальному коэффициенту в группе. Далее в канал связи передаются усеченные мантиссы, разрядность которых

0 в зависимости от величины коэффициентов адаптивно меняется от выборки к выборке. В рассматриваемом устройстве в виде кода с поблочно-плавающей запятой представляются коэффициенты, входящие в со5 став частотной группы не одной, а сразу нескольких выборок, следующих по времени друг за другом. Такое кодирование приводит к более эффективному представлению звукового сигнала.

0 Если в прототипе 24 группы частот передаются для каждой выборки по N отсчетов, то в данном устройстве они передаются один раз для всей совокупности из М выборок,

5 Особенность работы преобразователя 7 кода состоит в том, что на его информационный вход подаются коэффициенты не одной, а нескольких выборок, т.е. вместо k-ro коэффициента на вход преобразователя 7 прихо0 дят через мультиплексор 6 М к-ых коэффициентов от М выборок, накопленных в блоке 5. При этом сигнал ТГр блока 9 синхронизации, формирующий границы частотных групп, делится с помощью делителя 8

5 частот в М раз.

Заполнение блока 5 поясняет порядок расположения коэффициентов от выборок. Верхний график временной диаграммы показывает сигналы на

0 информационном входе преобразователя 7 кода, нижний - на синхронизирующем (шестом) его входе, определяющем границы групп коэффициентов, представляемых с поблочно-плавающей запятой.

5 Сформированный таким образом сигнал передается через канал связи в декодирующую часть.

Сигнал из канала связи поступает на

вход преобразователя 10 кода, в котором от

вида с поблочно-плавающей запятой он

приводится к виду с мгновенным командированием.

Преобразователь 10 работает как такой же преобразователь в прототипе 3. Отличия те же, что описаны для работы преобразователя 7 кода кодирующей части, а именно: на синхронизирующий (пятый) вход поступают сигналы, определяющие границы групп, через делитель 16 частоты, т.е. в - М раз реже, и на выходе вместо одного k-ro коэффициента вырабатывается М k-ых коэффициентов для М выборок.

После преобразования к виду с мгновенным компандированием коэффициенты записываются через демультиплексор 11 в матричный запоминающий блок 12 таким образом, что в строках оказываются записанными выборки по N отсчетов в том же порядке, как они были записаны в блоке 5 кодирующей части.

Далее над каждой строкой блока 12 производится обратное спектральное преобразование в блоке 13 и с помощью ЦАП 14 и ФНЧ 15 сигнал преобразуется из цифрового в аналоговый вид.

В данном устройстве в дополнение к использованному в прототипе эффекту маскировки одновременно звучащих спектральных составляющих удалось использовать еще одно свойство слухового восприятия звука - эффекту пост- и пред- маскировки сигналов, следующих по времени друг за другом. Эти эффекты заключаются в том, что большой по уровню сигнал маскирует слабые сигналы, следующие непосредственно до и после него. Полный временной интервал маскировки, по данным многочисленных исследований, около 200 мс. Исходя из этого, можно вычислить, сколько выборок М по N отсчетов можно совместно кодировать, чтобы эффекты маскировки по частоте и по времени нейтрализовали вносимые искажения сигнала и делали их незаметными на слух.

Устройство наиболее эффективно при использовании в кодере преобразователя кода, расходующего относительно большое количество разрядов на представление порядка, например при хранении и передаче речевых сигналов, поскольку в таких системах не предъявляются требования к полному отсутствию искажений и, следовательно, малое количество разрядов расходуется на представление мантисс, но большое - на представление порядков. Отсюда возрастает и степень повышения эффективности кода.

Формула изобретения

Устройство для кодирования и декодирования звуковых сигналов, содержащее в

кодирующей части фильтр нижних частот, вход которого является входом устройства, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к информационным входам буферного запоминающего блока, выходы которого соединены с информационными входами блока прямого спектрального преобразования, преоб- 0 разователь кода с поблочно-плавающей запятой, блок синхронизации, первый выход которого подключен к входу дискретизации аналого-цифрового преобразователя и первым управляющим входам буферного запоминающего блока, блока прямого спектрального преобразования и преобразователя кода с поблочно-плавающей запятой, второй и третий выходы блока синхронизации соединены с одноименными управляющими входами буферного запоминающего блока и блока прямого спектрального преобразования, четвертый - шестой выходы блока синхронизации подключены соответственно к второму - четвертому управляющим входам преобразователя кода с поблочно-плавающей запятой, в декодирующей части - преобразователь кода с мгновенным компандированием,блок обратного спектрального преобразования, выходы которого подключены к информационным входам цифроаналогового преобразователя, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства, блок синхронизации, первый выход которого

подключен к входу дискретизации цифроаналогового преобразователя и первому уп- равляющему входу блока обратного спектрального преобразования, второй выход блока синхронизации соединен с вторым управляющим входом блока обратного спектрального преобразования и первым управляющим входом преобразователя кода с мгновенным компандированием, третий выход блока синхронизации подключен

к третьему управляющему входу блока обратного спектрального преобразования, четвертый - шестой выходы блока синхронизации соединены соответственно с вторым - четвертым управляющими входами

преобразователя кода с мгновенным компандированием, выход преобразователя кода с поблочно-плавающей запятой через канал связи соединен с информационным входом преобразователя кода с мгновенным компандированием, отличающее- с я тем, что, с целью повышения информативности устройства за счет повышения эф- фективности кодирования звукового сигнала, в кодирующую часть матричный запоминающий блок, гчппексор и делитель частот, первый вход которого подключен к третьему выходу блока синхронизации, седьмой выход которого соединен с вторым входом делителя частот, первый и второй выходы которого подключены соот- ветственно к пятому и шестому управляющим входам преобразователя кода с поблочно-плавающей запятой, выходы блока прямого спектрального преобразования соединены с информационными входами матричного запоминающего блока, первый управляющий вход которого подключен к первому выходу блока синхронизации, выходы матричного запоминающего блока соединены с информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого объединен с вторым управляющим входом матричного запоминающего блока и подключен к второму выходу блока синхронизации, выходы мультиплексора соедине- ны с информационными входами

преобразователя кода с поблочно-плавающей запятой, в декодирующую часть введены матричный запоминающий блок, демультип- лексор и делитель частоты, вход которого подключен к третьему выходу блока синхронизации, выход делителя частоты соединен с пятым управляющим входом преобразователя кода с мгновенным компандировани- ем, выходы которого подключены к информационным входам демультиплексо- ра. управляющий вход которого объединен с первым управляющим входом матричного запоминающего блока и подключен к второму выходу блока синхронизации, выходы демультиплексора соединены с информационными входами матричного запоминающего блока, второй управляющий вход и выходы которого подключены соответственно к первому выходу блока синхронизации и информационным входам блока обратного спектрального преобразования.

Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи. Его использование в цифровых системах записи,хранения, воспроизведения и передачи звуковых сигналов позволяет повысить пропускную способность устройства за счет повышения эффективности кодирования звуковых сигналов. Кодирующая часть устройства содержит фильтр 1 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь 2, буферный блок 3 памяти, блок 4 прямого спектрального преобразования, преобразователь 7 кода с поблочно- плавающей запятой и блок синхронизации. Благодаря введению матричного блока 5 памяти, мультиплексора 6 и делителя 8 частот в устройстве обеспечивается передача кода порядка не для одной выборки отсчетов, а для нескольких групп таких выборок. В декодирующей части (не показано) осуществляется обратное преобразование с мгновенным компан- дированием. 3 ил. Чм Ё

10

11

«а у

f

1В

J

ft

fj

14

8

/г/

7

/7

ъ. - С АС АСЖЖА - N

л

A

Фиг,3