Прогнозирование данных в передающей системе

 

Изобретение относится к передающему устройству для передачи цифрового информационного сигнала по передающей среде, к приемному устройству для приема передающего сигнала, к способу передачи цифрового информационного сигнала и к носителю записи. Изобретение раскрывает передатчик для передачи цифрового информационного сигнала по передающей среде. Цифровой информационный сигнал сжимают в кодированный сигнал и данные о коэффициентах. Данные о коэффициентах прогнозируют, обеспечивая прогнозирующий сигнал. Данные о коэффициентах и прогнозирующий сигнал объединяют для формирования сигнала данных. Как кодированный сигнал, так и сигнал данных передают по передающей среде, а в приемном устройстве - принимают и обрабатывают и записывают сформированный сигнал данных. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в обеспечении более эффективного уменьшения скорости передачи битов цифрового информационного сигнала. 4 с. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к передающему устройству для передачи цифрового информационного сигнала по передающей среде, включающему в себя:

- адаптивный кодер, выполненный с возможностью сжатия цифрового информационного сигнала в кодированный сигнал и генерирования параметрического сигнала;

- первое сигнальное комбинирующее устройство, выполненное с возможностью объединения кодированного сигнала и представления параметрического сигнала для того, чтобы получить передающий сигнал для передачи по передающей среде.

Изобретение также относится к приемному устройству для приема передающего сигнала, к способу передачи цифрового информационного сигнала и к представлению параметрического сигнала по передающей среде, а также к носителю записи, полученному передающим устройством или способом в соответствии с изобретением.

Передающее и приемное устройство типа, определенного в начале, известно из публикации в журнале J. Audio Eng. Soc., Vol. 44, N 9, pp.706-719, September 1996 и из препринта 4563 AES, Improved Lossless Coding of 1-Bit Audio Signals" by Fons Bruekers et al., 103^rd Convention (New York, USA). Известное передающее устройство предназначено для эффективного уменьшения скорости передачи битов цифрового информационного сигнала. Полученный таким образом передающий сигнал включает в себя кодированный вариант цифрового информационного сигнала и представление параметрического сигнала. Параметрический сигнал содержит параметры, требуемые в приемном устройстве, чтобы декодировать кодированные варианты цифрового информационного сигнала в цифровой информационный сигнал. Передающий сигнал, полученный посредством известного передающего устройства, теперь требует меньшей пропускной способности от передающей среды во время передачи цифрового информационного сигнала. Параметрический сигнал может содержать коэффициенты, используемые в адаптивном прогнозирующем фильтре, или в таблице вероятностей, предусмотренной в кодере. Эти коэффициенты передаются по передающей среде. В известном приемном устройстве передающий сигнал обрабатывается таким образом, чтобы генерировать копию исходного цифрового информационного сигнала.

Задачей изобретения является обеспечение передающего и/или приемного устройства, которое более эффективно уменьшает скорость передачи битов цифрового информационного сигнала.

В связи с этим передающее устройство в соответствии с изобретение отличается тем, что оно включает в себя:

- устройство, содержащее прогнозирующий фильтр для получения прогнозирующего сигнала, который представляет собой аппроксимацию параметрического сигнала;

- второе сигнальное комбинирующее устройство для объединения прогнозирующего сигнала и параметрического сигнала таким образом, чтобы получить представление параметрического сигнала.

Приемное устройство в соответствии с изобретением отличается тем, что оно включает в себя:

- сигнальное комбинирующее устройство для объединения представления параметрического сигнала и прогнозирующего сигнала;

- прогнозирующий фильтр для получения прогнозирующего сигнала, который является аппроксимацией параметрического сигнала.

Способ в соответствии с изобретением отличается тем, что он также включает в себя этапы:

- получения прогнозирующего сигнала, который является аппроксимацией параметрического сигнала;

- объединения прогнозирующего сигнала и параметрического сигнала таким образом, чтобы получить представление параметрического сигнала.

Изобретение основано на признании факта, что число битов, требуемое для передачи сигнала, может быть уменьшено благодаря использованию прогнозирующего фильтра. Для этой цели известное передающее устройство использует прогнозирующий фильтр для эффективного сжатия цифрового информационного сигнала. Удивительно, как было теперь выяснено, что применение прогнозирования в отношении параметрического сигнала уменьшает число битов, необходимое для передачи параметров.

Эти, а также другие стороны изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на фиг.1-5.

На фиг.1 показана блок-схема первого варианта реализации передающего устройства в соответствии с изобретением.

На фиг.2 показана блок-схема второго варианта реализации передающего устройства в соответствии с изобретением.

На фиг.3 показана блок-схема второго варианта реализации приемного устройства в соответствии с изобретением.

На фиг.4 показана блок-схема передающего устройства в виде записывающего аппарата.

На фиг.5 показана блок-схема приемного устройства в виде воспроизводящего аппарата.

На фиг.1 показан вариант реализации передающего устройства в соответствии с изобретением. Передатчик имеет входной вывод 2 для приема цифрового информационного сигнала, например, цифрового звукового сигнала. Цифровой информационный сигнал может быть получен путем преобразования аналогового варианта цифрового информационного сигнала в цифровой информационный сигнал аналого-цифровым преобразователем. Входной вывод 2 связан со входом 4 адаптивного кодера 6. Адаптивный кодер 6 приспособлен для преобразования цифрового сигнала, поданного на вход 4, в кодированный сигнал, подаваемый на первый выход 8 адаптивного кодера 6. Адаптивный кодер 6 также приспособлен для генерации параметрического сигнала и для подачи его на второй выход 10. Параметрический сигнал может содержать коэффициенты фильтра, используемые, например, в адаптивном прогнозирующем фильтре, входящем в адаптивный кодер 6, или величины в таблице истинности, предусмотренные для применения в арифметическом кодере, входящем в адаптивный кодер 6. Передающее устройство, использующее оба типа параметрических сигналов, известно из препринта 4563 AES "Improved Lossless Coding of 1-Bit Audio Signals" by Fons Bruekers et al., 103^rd AES Convention (New York, USA).

Прогнозирующий фильтр 14 имеет вход 12, связанный с выходом 10 адаптивного кодера 6. Прогнозирующие фильтры вообще известны в данной области техники. Второе сигнальное комбинирующее устройство 18 имеет первый вход 16, связанный с выходом 10 адаптивного кодера 6, второй вход 20, связанный с выходом 22 прогнозирующего фильтра 14, и выход 24. Второе сигнальное комбинирующее устройство предназначено для объединения сигналов, принятых на входах 16 и 20, для получения остаточного сигнала, подаваемого на выход 24. В настоящем примере второе сигнальное комбинирующее устройство 18 принимает форму схемы вычитания, которая вычитает сигнал, принятый на втором входе 20, из сигнала, принятого на первом входе 16.

Схемный блок 34 предназначен для обработки остаточного сигнала, принятого на входе 36, и для подачи его на выход 38. Обработкой может являться неизменяемая передача сигнала на выход. В другом варианте реализации схемный блок может содержать энтропийный кодер. Энтропийный кодер сжимает сигнал, принятый на входе 36 так, чтобы сформировать сжатый сигнал, подаваемый на выход 38.

Первое сигнальное комбинирующее устройство 26 имеет адаптивного первый вход 28, связанный с выходом 8 адаптивного кодера 6, второй вход 30, связанный с выходом 38 схемного блока 34, и выход 32. Первое сигнальное комбинирующее устройство предназначено для объединения сигналов, принятых на первом входе и на втором входе таким образом, чтобы сформировать передающий сигнал, передаваемый по передающей среде TRM.

Передающее устройство, описанное выше, работает следующим образом. Цифровой информационный сигнал подается к входному выводу 2 и подводится на адаптивный кодер 6. Цифровой информационный сигнал содержит последовательные блоки. Адаптивный кодер 6 преобразует цифровой информационный сигнал в кодированный сигнал. Кодированный сигнал подается на выход 8 адаптивного кодера. Адаптивный кодер 6 содержит средство для выбора коэффициентов. Средство для выбора коэффициентов выводит из каждого последовательного блока цифрового информационного сигнала те коэффициенты или параметры, которые должны быть использованы, например, в адаптивном прогнозирующем фильтре, содержащемся в кодере или в таблице вероятностей для арифметического кодера. Выбранные параметры передаются на выход 10. Прогнозирующий фильтр 14 выводит прогнозирующий сигнал из параметров. Затем второе сигнальное комбинирующее устройство 18 вычитает этот прогнозирующий сигнал из коэффициента так, чтобы сформировать остаточный сигнал, который является представлением параметрического сигнала. При формировании прогнозирования параметра и вычитании его из этого параметра, чтобы получить остаточный сигнал, будет уменьшаться диапазон амплитуд. Первая передаточная функция прогнозирующего фильтра 14 может быть, например,: H(z) = 2z^-1-z^-2. Вторая передаточная функция прогнозирующего фильтра может быть, например,: H(z) = 3z^-1-3z^-2+z^-3. Оказалось, что передаточная функция прогнозирующего фильтра H(z) = 9/8z^-1+5/8z^-2-6/8z^-3 обеспечивает сочетание и хорошего коэффициента сжатия и сравнительно простых для реализации в аппаратном виде коэффициентов умножения. Иногда параметрический сигнал имеет высокочастотную пульсацию. В этом случае использование прогнозирующего фильтра с передаточной функцией H(z) = -z^-1 приводит к остаточному сигналу с требуемым уменьшением диапазона амплитуд. Если схемный блок 34 передает сигнал без изменений на выход 38, то потребуется меньшее число битов для передачи остаточного сигнала, чем для передачи параметрического сигнала, благодаря уменьшению диапазона амплитуд остаточного сигнала. Если схемный блок 34 содержит энтропийный кодер, то число битов, необходимое для воспроизведения остаточного сигнала, может быть уменьшено даже больше. Энтропийный кодер может быть, например, кодером Райса, известным в данной области техники. Энтропийный кодер сжимает остаточный сигнал, чтобы сформировать сжатый сигнал. Для передачи сжатого сигнала потребуется меньшее число битов, чем для передачи остаточного сигнала. Энтропийный кодер обеспечивает уменьшение числа битов в зависимости от параметрического сигнала. Таким же образом возможно, чтобы самое большое уменьшение числа битов для параметрического сигнала могло быть достигнуто посредством передающего устройства, которое содержит энтропийный кодер, а не прогнозирующий фильтр.

В первом сигнальном комбинирующем устройстве 26 сигналы, принятые на входах, комбинируются для формирования передающего сигнала. Цифровой информационный сигнал может быть реконструирован из этого передающего сигнала посредством соответствующего приемного устройства, которое будет описано ниже. Для передачи цифрового информационного сигнала посредством упомянутого передающего устройства получают более низкую скорость передачи битов, чем посредством устройства, которое не содержит прогнозирующий фильтр 14. В связи с тем, что требуемая ширина полосы передающей среды является линейной функцией скорости передачи битов, передающее устройство в соответствии с изобретением требует меньшей ширины полосы для передачи цифрового информационного сигнала. Другими словами, передающее устройство в соответствии с изобретением может передавать больше информации в единицу времени по передающей среде, имеющей фиксированную ширину полосы. Первое сигнальное комбинирующее устройство 26 не описано подробно, потому что оно известно в данной области техники.

Передающей средой может быть передающий канал или носитель записи, например магнитный носитель записи или оптический носитель записи. Передающий сигнал передается на приемное устройство по передающей среде TRM.

На фиг.2 показан второй вариант реализации передающего устройства в соответствии с изобретением. Его отличие от первого варианта реализации заключается в том, что вход 12 прогнозирующего фильтра 14 связан с выходом 10 адаптивного кодера 6 другим образом. Для этой цели устройство содержит третье сигнальное комбинирующее устройство 40. Первый вход 42 связан с выходом 24. второго сигнального комбинирующего устройства 18. Второй вход 44 связан с выходом 22 прогнозирующего фильтра 14. Третье сигнальное комбинирующее устройство предназначено для объединения сигналов, подаваемых на первый вход 42 и второй вход 44, в один сигнал и для подачи этого сигнала на выход 46. Третье сигнальное комбинирующее устройство 40 имеет выход 46, связанный со входом 12 прогнозирующего фильтра 14. В настоящем примере сигнальное комбинирующее устройство принимает форму суммирующего сигнального комбинирующего устройства для сложения сигналов, принятых с двух входов, в один. Функциональная способность первого варианта реализации и функциональная способность второго варианта реализации одинаковы.

На фиг.3 показан вариант реализации приемного устройства для приема передающего сигнала. Приемное устройство формирует копию исходного сигнала из принятого передающего сигнала.

Передающий сигнал TRM принимается на входе 60 демультиплексирующего устройства 62. Демультиплексирующее устройство 62 выводит кодированный сигнал и представление параметрического сигнала из передающего сигнала TRM. Кодированный сигнал подается на первый выход 64. Представление параметрического сигнала подается на второй выход 66.

Первый выход 64 демультиплексирующего устройства 62 связан со входом 72 адаптивного декодера 70. Адаптивный декодер 70 предназначен для расширения сигнала, принятого на входе 72, в копию цифрового информационного сигнала в зависимости от коэффициентов, принятых на втором входе 76. Копия подается на выход 74 декодера 70. Декодер может быть реализован так, как описано в препринте 4563 AES "Improved Lossless Coding of 1-Bit Audio Signals" by Fons Bruekers et al., 103^rd AES Convention (New York, USA). Выход 74 связан с выходным выводом 90 приемного устройства.

Схемный блок 92 имеет вход 94, связанный с выходом 66, и предназначен для обработки сигнала, принятого на входе 94, и для подачи обработанного сигнала на выход 96. Обработкой может являться неизменяемая передача сигнала на выход 96. В другом варианте реализации схемный блок 92 может содержать энтропийный декодер. Энтропийный декодер расширяет сигнал, принятый на входе 94, для того, чтобы подать расширенный сигнал на выход 96. Энтропийный декодер может принимать форму декодера Райса.

Сигнальное комбинирующее устройство 82 имеет первый вход 84, связанный с выходом 96 схемного блока, второй вход 86, связанный с выходом 80 прогнозирующего фильтра 78, и выход 88. Сигнальное комбинирующее устройство 82 предназначено для объединения сигналов, принятых на первом входе 84, с сигналом, принятым на втором входе 86, так, чтобы сформировать параметрический сигнал, который подается на выход 88. Сигнальное комбинирующее устройство 82 может принимать форму суммирующей схемы, которая складывает сигнал, принятый на втором входе 86, с сигналом, принятым на первом входе 84. Суммирующий сигнал подается на выход 88. Конструкция предсказывающего фильтра 78 аналогична конструкции прогнозирующего фильтра 14, применяемого в передающем устройстве, которое передавало передающий сигнал.

Приемное устройство, показанное на фиг.3, работает следующим образом. Демультиплексирующее устройство 62 разделяет передающий сигнал, принятый на входе 60, на кодированный сигнал и на представление параметрического сигнала. Представление параметрического сигнала подается на схемный блок 92, который обрабатывает этот сигнал так, чтобы сформировать остаточный сигнал. Остаточный сигнал и прогнозирующий сигнал суммируются для формирования параметрического сигнала в сигнальном комбинирующем устройстве 88. Параметрический сигнал подается на прогнозирующий фильтр 78 и адаптивный декодер 70. В прогнозирующем фильтре 78 прогнозирующий сигнал выводят из параметрического сигнала. В адаптивном декодере 70 кодированный сигнал преобразуется в копию цифрового информационного сигнала. Подстраиваемые параметры в адаптивном декодере принимаются на входе 76. Подстраиваемыми параметрами являются, например, коэффициенты прогнозирующего фильтра или величины таблицы вероятностей. Прогнозирующие фильтры и декодеры вообще известны в данной области техники.

В зависимости от варианта реализации передающего устройства приемное устройство содержит только прогнозирующий фильтр 78, или прогнозирующий фильтр 78 и схемный блок 92 в виде энтропийного декодера, или только схемный блок 92 в виде энтропийного декодера.

На фиг.4 показано передающее устройство в виде аппарата для записи цифрового информационного сигнала на носителе записи. Схемный блок 500 на фиг.4 заменяет блок-схему на фиг.1. Входной вывод 2 на фиг.4 аналогичен входному выводу 2 на фиг.1, и выход 32 схемного блока 500 аналогичен выходу 32 сигнального комбинирующего устройства 30 на фиг.1. Записывающий аппарат также содержит кодер 502 коррекции ошибок, канальный кодер 504 и записывающее средство 506 для записи сигнала на носителе записи 508. Кодеры коррекции ошибок и канальные кодеры вообще известны в данной области техники. Носитель записи 508 может быть магнитного типа. В этом случае записывающее средство 506 содержит одну или больше магнитных головок 510, предназначенных для записи информации на дорожке носителя 508 записи. В другом варианте реализации носитель 508 записи является оптическим информационным носителем. Записывающее средство 506 теперь включает в себя оптическую записывающую головку 510 для записи информации на дорожке носителя 508 записи.

На фиг.5 показано приемное устройство в виде аппарата для воспроизведения цифрового информационного сигнала с носителя записи. Схемный блок 600 на фиг.5 заменяет блок-схему на фиг. 3. Вход 60 схемного блока 600 аналогичен входу 60 демультиплексирующего устройства 62 на фиг.3, и выходной вывод 90 на фиг.5 аналогичен выходному выводу 90 приемного устройства на фиг.3. Воспроизводящий аппарат также содержит считывающее средство 602, канальный декодер 606 и средство 608 для детектирования и, если возможно, для коррекции ошибок в сигнале. Канальные декодеры и средства детектирования/коррекции ошибок вообще известны в данной области техники. Считывающее средство предназначено для считывания сигнала, записанного на носителе 508 записи, и для подача сигнала считывания на канальный декодер 606. Носитель записи 508 может быть магнитного типа. В этом случае считывающее средство 602 включает в себя одну или больше магнитных головок 604 для считывания информации с дорожки на носителе 508 записи. В другом варианте реализации носителем 508 записи является оптический информационный носитель. Считывающее средство 602 теперь включает в себя оптическую считывающую головку 604 для считывания информации с дорожки на носителе 508 записи.

Аппарат в соответствии с изобретением может включать в себя как передающее устройство, так и приемное устройство. Комбинация аппаратов, показанная на фиг.4 и 5, дает аппарат, позволяющий сохранять цифровой информационный сигнал на носителе записи и считывать и воспроизводить записанный цифровой информационный сигнал с носителя записи в последующий момент. Другой возможностью является то, что два аппарата, каждый из которых содержит передающее и приемное устройства, сообщаются один с другим по одной или больше передающим средам. Первый аппарат передает цифровой информационный сигнал на второй аппарат по одной или больше передающим средам посредством своего передающего устройства. Второй аппарат принимает этот сигнал посредством приемного устройства и воспроизводит этот сигнал на выходе. Таким же образом второй аппарат может передавать цифровой информационный сигнал на первый аппарат по передающей среде. В зависимости от физической формы передающий среды может быть использована одна или больше передающих сред.

Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов реализации, приведенных в примерах, очевидно, что изобретение не ограничено только этими примерами. Специалист в данной области сможет реализовать различные модификации в пределах объема изобретения, как определено в формуле изобретения.

Изобретение также присутствует в любом новом характерном признаке или в комбинации характерных признаков.

Формула изобретения

1. Передающее устройство для передачи цифрового информационного сигнала по передающей среде, включающее в себя адаптивный кодер, предназначенный для преобразования цифрового информационного сигнала в кодированный сигнал и для генерирования параметрического сигнала, первое сигнальное комбинирующее устройство, предназначенное для объединения кодированного сигнала и представления параметрического сигнала, принятых на первом и втором входах соответственно, для получения передающего сигнала для передачи по передающей среде, отличающееся тем, что оно включает в себя устройство, содержащее прогнозирующий фильтр для вывода прогнозирующего сигнала, который является аппроксимацией параметрического сигнала, причем прогнозирующий фильтр имеет вход, связанный со вторым выходом адаптивного кодера, второе сигнальное комбинирующее устройство для объединения принятых прогнозирующего сигнала и параметрического сигнала, предназначенное для получения представления параметрического сигнала.

2. Передающее устройство по п.1, отличающееся тем, что адаптивным кодером является арифметический кодер.

3. Передающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что адаптивный кодер содержит адаптивный прогнозирующий фильтр.

4. Передающее устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что параметрический сигнал содержит коэффициенты адаптивного кодера.

5. Передающее устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что содержит кодер коррекции ошибок и/или канальный кодер и записывающее устройство для записи сигнала на носителе записи.

6. Передающее устройство по п.1, отличающееся тем, что степенью передаточной функции прогнозирующего фильтра является, по меньшей мере, два.

7. Передающее устройство по п.1, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию

Н(z)=2z^-l-z^-2.

8. Передающее устройство по п.1, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию

H(z)=3z^-l-3z^-2+z^-3.

9. Передающее устройство по п.1, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию

H(z)=9/8z^-1+5/8z^-2-6/8z^-3.

10. Передающее устройство по п.1, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию H(z)=-z^-1.

11. Приемное устройство для приема передающего сигнала, который содержит кодированный сигнал и представление параметрического сигнала, при этом приемное устройство включает в себя приемное средство для приема передающего сигнала из передающей среды, демультиплексирующее средство для вывода кодированного сигнала и представления параметрического сигнала из передающего сигнала, адаптивный декодер, выполненный с возможностью расширения кодированного сигнала в цифровой информационный сигнал в зависимости от параметрического сигнала, отличающееся тем, что оно содержит сигнальное комбинирующее устройство для объединения представления параметрического сигнала и прогнозирующего сигнала, предназначенное для формирования параметрического сигнала, прогнозирующий фильтр для вывода прогнозирующего сигнала, который является аппроксимацией параметрического сигнала, при этом параметрический сигнал подается на прогнозирующий фильтр и на второй вход адаптивного декодера, а кодированный сигнал подается на адаптивный декодер.

12. Приемное устройство по п.11, отличающееся тем, что адаптивным декодером является арифметический декодер.

13. Приемное устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что адаптивный декодер содержит адаптивный прогнозирующий фильтр.

14. Приемное устройство по любому из пп.11-13, отличающееся тем, что содержит считывающее средство, канальный декодер и средство коррекции ошибок.

15. Приемное устройство по п.11, отличающееся тем, что степенью передаточной функции прогнозирующего фильтра является, по меньшей мере, два.

16. Приемное устройство по п.11, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию H (z) =2z^-1-z^-2.

17. Приемное устройство по п.11, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию H(z)=3z^-l-3z^-2+z^-l.

18. Приемное устройство по п.11, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию H(z)=9/8z^-l+5/8z^-2-6/8z^-3.

19. Приемное устройство по п.11, отличающееся тем, что прогнозирующий фильтр имеет передаточную функцию H(z)=-z^-1.

20. Способ передачи цифрового информационного сигнала и представления параметрического сигнала по передающей среде, который включает в себя этапы приема цифрового информационного сигнала, преобразования цифрового информационного сигнала в кодированный сигнал и параметрический сигнал, вывода прогнозирующего сигнала, который является аппроксимацией параметрического сигнала, объединения прогнозирующего сигнала и параметрического сигнала для получения представления параметрического сигнала, объединения кодированного сигнала и представления параметрического сигнала в передающий сигнал для передачи по передающей среде.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что передающий сигнал хранят на носителе записи.

22. Носитель записи, содержащий кодированный сигнал и представление параметрического сигнала, записанные на нем, причем представление параметрического сигнала получено путем объединения прогнозирующего сигнала и параметрического сигнала, при этом прогнозирующий сигнал выведен из параметрического сигнала, а кодированный сигнал получен преобразованием цифрового информационного сигнала с использованием параметрического сигнала.

Приоритет по пунктам:

18.03.1998 по пп.1-8, 11-17 и 20-22;

17.12.1998 по пп.9, 10, 18 и 19.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5