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(11) | EP 0 610 282 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
VERFAHREN ZUR GLEICHZEITIGEN ÜBERTRAGUNG VON AUDIO-SIGNALEN AUS N-SIGNALQUELLEN PROCESS FOR SIMULTANEOUSLY TRANSMITTING AUDIO SIGNALS FROM N-SIGNAL SOURCES PROCEDE DE TRANSMISSION SIMULTANEE DE SIGNAUX AUDIO EN PROVENANCE DE N SOURCES DE SIGNAUX |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Audio-Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen, bei dem die einzelnen Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transformation oder Filterung in Spektralkoeffizienten umgesetzt werden, die einem Datenreduktionsverfahren unterzogen werden, und bei dem aus der insgesamt zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität und der aktuell benötigten Gesamt-Übertragungskapazität die Zuteilung an maximal zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität für jedes Einzelsignal berechnet und jedes Einzelsignal mit dieser so bestimmten Kapazität codiert und übertragen wird.
Stand der Technik
[0002] Verfahren, bei denen die einzelnen (Zeit-) Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transformation oder Filterung in Spektralkoeffizienten umgesetzt werden, die wiederum einem Datenreduktionsverfahren unterzogen bzw. zur Datenreduktion entsprechend codiert werden, sind bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf die Übersichtsartikel "Perceptual Audio-Coding" von Jörg Houpert in Studio-Technik oder den Artikel "Daten-Diät, Datenreduktion bei digitalisierten Audio-Signalen" von Stefanie Renner in Elrad, 1991 verwiesen. Auf diese Obersichtsartikel sowie die PCT-Offenlegungsschrift WO 88/01811 wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe und Verfahrensschritte ausdrücklich Bezug genommen.
[0003] In einer Reihe von Fällen ist es nun erforderlich, Signale aus mehreren Signalquellen gleichzeitig über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen zu übertragen. Als einfachstes Beispiel hierfür sei die Übertragung von Stereo-Signalen über zwei Übertragungskanäle genannt.
[0004] Bei der Übertragung von Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen stellt sich nun das Problem der Dimensionierung der Übertragungskanäle:
[0005] Dimensioniert man jeden einzelnen Übertragungskanal so, daß er den "maximal anfallenden Bit-Strom" übertragen kann, so bleibt "im Mittel" vergleichsweise viel Übertragungskapazität ungenutzt.
[0006] Nun ist es aus der digitalen Telefontechnik bekannt, bei der Übertragung von Signalen aus einer Vielzahl von Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen die Übertragungskanäle lediglich für einen "mittleren Bedarf" auszulegen und auf einzelnen Kanälen kurzfristig erhöhten Bedarf durch Zuweisung aus anderen Kanälen auszugleichen. Die Zuweisung erfolgt dabei ausschließlich über die Signalstatistik.
[0007] Zum Stand der Technik sei auf folgende Literaturstellen "ein digitales Sprachinterpolationsverfahren mit prädiktionsgesteuerter Wortaufteilung" von Dr. H. Gerhäuser (1980), "ein digitales Sprachinterpolationsverfahren mit momentaner Prioritätszuteilung", von R. Woitowitc (1977) oder "ein digitales Sprachinterpolationsverfahren mit blockweiser Prioritätszuteilung" von G.G. Klahnenbucher (1978) verwiesen.
[0008] Es ist erkannt worden, daß die in der digitalen Telefontechnik gebräuchlichen Verfahren zum Ausgleich eines schwankenden Bedarfs bei der Übertragung einer Vielzahl von Audio-Signalen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen dann keine guten Resultate liefern, wenn die zu übertragenden digitalen Signale vorher einer Datenreduktion beispielsweise nach dem sogenannten OCF-Verfahren unterzogen worden sind.
[0009] Aus dem Beitrag von Kuei Yung Kou et al, "Digital Speech Interpolation for Variable Rate Coders with Application to Subband Coding", IEEE Transaction on Communications, Vol. COmm 33, No. 10, Oct. 1985, S. 1100-1108, geht ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Signalen aus n-Signalquellen hervor. Um eine vorgegebene Übertragungsqulität der Siganel nicht zu unterschreiten, werden iterative Messungen sowie Anpaßverfahren angewandt, wobei nach jeder einzelnen Bitzuweisung das zugehörige S/N-Verhältnis gemessen wird. Entspricht der gemessene S/N-Wert einem vorgegebenen Schwellwert, so wird eine entsprechende Signalanpassung durchgeführt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß durch die bloße Erfassung des S/N-Verhältnisses eine aussagekräftige Qualitätsbeurteilung in Hinblick auf das menschliche Gehör von Audio-Signalen nicht möglich ist.
Darstellung der Erfindung
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur gleichzeitigen Übertragung von Audio-Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen anzugeben, mit denen "datenreduzierte Signale" über Übertragungskanäle, die lediglich für einen "mittleren Bedarf" dimensioniert sind, ohne wahrnehmbare, d.h. beispielsweise hörbare Einbußen an Signalkapazität übertragen werden können.
[0011] Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0012] Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, zum Ausgleich des schwankenden Bedarfs bei der gleichzeitigen Übertragung von Audio-Signalen aus N-Signalquellen über eine entsprechende Zahl von Übertragungskanälen die Zuteilung an die einzelnen Signale nicht nach statistischen Gesichtspunkten vorzunehmen, sondern bereits in dem Verfahrensschritt,in dem die Signale zur Datenreduktion codiert werden, den schwankenden Bedarf durch entsprechende Maßnahmen auszugleichen.
[0013] Dieser erfindungsgmäße Grundgedanke wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:
- Fig. 1
- ein Blockdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- Fig. 2a und 2b
- den erfindungsgemäßen Signalaufbau.
[0014] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einzelnen Audio-Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transformation oder Filterung in Spektralkoeffizienten umgesetzt. Zum Ausgleich des schwankenden Bedarfs werden die zu den einzelnen Signalen gehörenden Blöcke in Abschnitte aufgeteilt, und die jeweils aktuellen Abschnitte aller Signale gemeinsam bearbeitet. Dies ist in Fig. 1 durch entsprechende "Funktionsblöcke" grafisch dargestellt.
[0015] Unter Verwendung eines wahrnehmungsspezifischen Modells, das beispielsweise bei der Übertragung von Audio-Signalen ein psycho-akustisches Modell sein kann, wird für jeden Abschnitt die erlaubte Störung bestimmt und hieraus die Anforderung an aktuell erforderliche Gesamt-Übertragungskapazität berechnet. Die Berechnung der Gesamt-Übertragungskapazität, d.h. der nötigen Bitzahl, erfolgt für alle Blöcke gleichzeitig. Aus der insgesamt zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität und der aktuell benötigten Gesamt-Übertragungskapazität wird die Zuteilung an maximal zur Verfügung stehender übertragungskapazität für jedes Einzelsignal berechnet. Mit der für jedes Einzelsignal zugeteilten "Bitzahl" erfolgt die Codierung des Einzelsignals und entsprechend die Übertragung dieses Einzelsignals. Dabei erfolgt im einfachsten Falle ein Ausgleich der jeweils benötigten Übertragungskapazität nur zwischen den Kanälen.
[0016] Bei der im Anspruch 2 angegebenen Weiterbildung ist eine Reserve an Übertragungskapazität, ein sogenanntes Bitreservoir vorhanden, aus dem in dem Falle, daß die benötigte Gesamt-Übertragungskapazität die im Mittel zur Verfügung stehende Übertragungskapazität übersteigt, eine Zuteilung an Übertragungskapazität erfolgt.
[0017] Dieses Bitreservoir wird immer dann aufgefüllt, wenn die angeforderte Übertragungskapazität kleiner als die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität ist (Anspruch 3).
[0018] In jedem Falle ist es erforderlich, daß - um ein zu großes Anwachsen des Bitreservoirs zu verhindern - in dem Falle, daß die Übertragungskapazität sehr viel kleiner als die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität ist, eine Zwangs-Zuteilung von Bits an die einzelnen Kanäle erfolgt (Anspruch 4). Diese Zwangs-Zuteilung erfolgt dabei bevorzugt lediglich an die Kanäle bzw. Signalquellen, die einen Bedarf angemeldet haben, der größer als ein mittlerer Bedarf ist. Ein wesentlich größerer Bedarf als der durchschnittliche Bedarf bedeutet nämlich, daß diese Signale wesentlich schwerer zu codieren sind als übliche Signale.
[0019] In jedem Falle ist es gemäß Anspruch 9 bevorzugt, wenn aus allen getrennt codierten Signalen der Signalquellen ein Gesamtblock gebildet wird, der auf einem festen Bereich, der Information beinhaltet, aus der die Separierung der Signale ermittelt werden kann, sowie aus mehreren Bereichen flexibler Länge besteht, die die codierten Signale aufnimmt. Dies ist schematisch in Fig. 2a dargestellt.
[0020] Eine weitere Einsparung an Übertragungskapazität erhält man dadurch, daß gleiche Eingangssignale erkannt und durch ein geeignetes Übertragungsformat nur einmal übertragen werden (Anspruch 6). Dies ist schematisch in Fig. 2b dargestellt.
[0021] In jedem Falle ist es möglich, die aktuell benötigte Übertragungskapazität exakt zu bestimmen oder lediglich abzuschätzen (Ansprüche 7 und 8).
[0022] Darüberhinaus ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend parallel auszuführen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn gemäß Anspruch 11 die Codierung der Einzelsignale bereits während der Berechnung der Zuteilung der Übertragungskapazität für jedes Signal erfolgt.
[0023] Eine weitere bevorzugte Realisierung des erfindungsgemäßen Grundgedankens ist im Anspruch 11 angegeben:
[0024] Wenn die benötigte Übertragungskapazität die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität übersteigt und keine Zuteilung aus dem Bit-Reservoir erfolgen kann, so ist es möglich, den Wert der erlaubten Störung für sämtliche Signale so anzuheben, daß die benötigte Gesamt-Übertragungskapazität die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität nicht übersteigt (Anspruch 11).
[0025] Im folgenden soll ein numerisches Beispiel für eine Vorgehensweise für Audio-Signale angegeben werden. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, daß der erfindungsgemäße Grundgedanke nicht auf Audio-Signale beschränkt ist; vielmehr können auch Video-Signale oder andere, einer wahrnehmungsspezifischen Beurteilung unterliegende Signale ähnlich behandelt werden.
[0027] Seien y(t) Abtastwerte des Audio-Signals.
1) Das Audio-Signal y wird in an sich bekannter Weise in Abtastwerte (y(t) zerlegt,
die digitalisiert werden. Die digitalisierten Abtastwerte werden in Blöcke der Länge
2n zerlegt, die bei dem gewählten Ausführungsbeispiel überlappende Blöcke mit der
Überlappung n sind:
2) Jeder Block der Länge n wird durch eine Transformation, beispielsweise eine Fast-Fourier-Transformation
oder eine Cosinus-Transformation in Spektralkoeffizienten transformiert:
3) Jeder der Blöcke wird in Abschnitt zerlegt und die Energiedichte für jeden Abschnitt
berechnet:
wobei die Koeffizienten a(i) aus der untenstehenden Tabelle 1 entnommen werden.
4) Für jeden.Abschnitt wird mit einem geeigneten psycho-akustischen Modell, bezüglich
dem auf die Literatur verwiesen wird, die erlaubte Störung berechnet. Aus der erlaubten
Störung ergibt sich die Maskierung zwischen den Bändern
die Maskierung im Band:
und die Maskierung zwischen den Blöcken:
anschließend erfolgt für jeden Block die Berechnung der benötigten Bitzahl.
5) Berechnung der nötigen Bitzahl für den Block:
a) für eine Codierung wie bei OCF (Huffmancodierung):
b) für PCM Codierung (SNR = 6dB/bit) :
Für jeden Abschnitt wird ein Skalenfaktor und die Anzahl der Bit pro Abtastwert als
zusätzliche Information übertragen
[0028] Im folgenden sollen in Form von Tabellen die sinnvollen Werte für die einzelnen Größen bzw. Konstanten wiedergegeben werden:
- n =
- 512
- c =
- 23
- p0 =
- 1200 für OCF (mittlere Bitzahl pro Block)
- pO =
- 345 für PCM (Skalenfaktoren: 10 Bit/Abschnitt, Codierung der Anzahl der Quantisierungsstufen: 5 Bit/Abschnitt
[0029] Im Anschluß hieran erfolgt die Zuteilung der Bit-Zahlen an die einzelnen Signale. Hierzu wird angenommen, daß zur Codierung der K-Eingangssignale k(k)-Bits angefordert werden, während die zur Verfügung stehende Bitzahl psoll sei.
[0030] Nun ist eine Fallunterscheidung nötig:
1) wenn psum=psoll
Jedes Signal bekommt die angeforderte Bitzahl:
z(k) = P(k)
2) Wenn psum<psoll
Jedes Signal bekommt mehr als die angeforderte Bitzahl:
z.B. K=2, psoll=1600, p(1)=540, p(2)=660 psum=1200
3) Wenn psoll > psum
Jedes Signal bekommt weniger als die angeforderte Bitzahl:
a) für OCF:
b) für PCM:
Die Mindestbitzahl für jedes Signal darf dabei nicht unterschritten werden:
p(2)=1200
dann ist Psum=1800
[0031] Zur Korrektur der erlaubten Störung ist folgende Fallunterscheidung erforderlich, wenn für jedes Signal p-Bits angefordert, jedoch z-Bits zugeteilt werden:
1) Wenn zugeteilte Bitzahl gleich der angeforderten: keine Korrektur nötig.
2) Wenn mehr Bits zugeteilt wurden als angefordert:
Für OCF:
keine Korrektur nötig.
Für PCM:
Die Anzahl der für die Quantisierung in jedem Abschnitt zur Verfügung stehenden Bit
wird um /z-p)/512 vermehrt.
3) Wenn weniger Bits zugeteilt wurden als angefordert: Für OCF:
Die Anzahl der für die Quantisierung in jedem Abschnitt zur Verfügung stehenden Bit wird um (z-p) / 512 vermehrt.
[0032] Bei PCM ist eine Rundung Bit pro ATW auf eine ganze Zahl notwendig: Hierzu werden zunächst alle Bit/ATW auf die nächstniedrige ganze Zahl abgerundet und die daraus resultierende Bitsumme bestimmt.
[0033] Falls noch Bits verfügbar sind, werden in einem ersten Durchgang die von den untersten Bändern beginnend jedem Band ein Bit/ATW mehr zur Verfügung gestellt, bis die zur Verfügung stehende Bitzahl erreicht wird.
Beispiel:
[0034] zur Verfügung stehen 104 Bit
| Abschnitt: | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Breite: | 4 | 6 | 8 | 12 |
| Bit/ATW: | 4.2 | 5.2 | 3.4 | 2.4 |
| aberundet: | 4 | 5 | 3 | 2 |
| *Breite | 16 | 30 | 24 | 24 |
| noch zu verteilen: 10 Bit | ||||
| +1 | +1 | |||
| Ergebnis: | 5 | 6 | 3 | 2 |
[0035] Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden.Innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens sind selbstverständlich die verschiedensten Variationen möglich:
[0036] So ist es möglich, eine feste Gesamt-Blocklänge zu verwenden, wobei Füll-Bits eingesetzt werden oder eine Weitergabe an noch nicht beendete Coder erfolgt. Ferner ist es möglich, eine flexible Blocklänge zu verwenden, bei der eine maximale Blocklänge vorgegeben ist und zusätzlich eine Zeitmittelung erfolgt.
bei dem die einzelnen Signale in Blöcke aufgeteilt und die Blöcke durch eine Transformation oder Filterung in Spektralkoeffizienten umgesetzt werden, die einem Datenreduktionsverfahren unterzogen werden,
und bei dem aus der insgesamt zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität und der aktuell benötigten Gesamt-Übertragungs kapazität die Zuteilung an maximal zur Verfügung stehenden Übertragungskapazität für jedes Einzelsignal berechnet und jedes Einzelsignal mit dieser so bestimmten Kapazität codiert und übertragen wird,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- die zu den einzelnen Signalen gehörenden Blöcke werden in Abschnitte aufgeteilt,
- die jeweils aktuellen Abschnitte aller Signale werden gemeinsam bearbeitet,
- unter Verwendung eines wahrnehmungsspezifischen Modells wird die erlaubte Störung für jeden Abschnitt bestimmt und eine Anforderung an aktuell erforderlicher Gesamt-Übertragungskapazität berechnet.
in which the individual signals are divided into blocks and said blocks are transformed into spectral coefficients by transformation or filtering, said spectral coefficients undergoing a data reduction process, and in which the allotment of the maximum disposable trans- mitting capacity is calculated for each individaul signal from the entire disposable transmitting capacity and the currently required overall transmitting capacity and each individual signal whose capacity was determined in this manner is encoded and transmitted,
characterized by the following features:- said blocks belonging to said individual signals are divided into sections,
- the respective current sections of all signals are processed simultaneously,
the permissible interference for each section is determined utilizing a perception-specific model and a request of currently required overall transmitting capacity is calculated.characterized by there being a reserve of transmitting capacity (bit reservoir) from which an allotment occurs if the required overall transmitting capacity exceeds the average transmitting capacity at disposal.
characterized by said bit reservoir being filled if the requested transmitting capacity is smaller than the transmitting capacity at disposal.
characterized by a forced allotment occurring in order to prevent said bit reservoir from increasing too greatly if the requested transmitting capacity is very much smaller than the transmitting capacity at disposal.
characterized by said forced allotment only occurring if there is a need greater than the average need.
selon lequel les différents signaux sont subdivisés en blocs et les blocs sont convertis, au moyen d'une transformation ou d'un filtrage, en des coefficients spectraux, qui sont soumis à un procédé de réduction de données, et
selon lequel l'affectation d'une capacité de transmission maximale disponible pour chaque signal individuel est calculée à partir de la capacité de transmission globale disponible et de la capacité global disponible actuellement requise, et chaque signal individuel est codé avec cette capacité ainsi déterminée et est transmis,
caractérisé par les caractéristiques suivantes :- les blocs appartenant aux différents signaux individuels sont subdivisés en sections,
- les sections actuelles respectives de tous les signaux sont traitées en commun,
- le parasitage autorisé pour chaque section est déterminé moyennant l'utilisation d'un modèle spécifique du point de vue perception et une demande d'une capacité de transmission totale actuellement requise est calculée.