CN1272249A - 数字信息信号的算术编码/解码 - Google Patents

Abstract

可以使用众所周知的总和—增量调制技术将音频信号从模拟形式转换为数字形式。这样得到的数字信号包括例如是在2822400Hz(=64*44100Hz)频率处的一个1比特采样序列。我们已知无损编码技术会减小这些1比特过采样音频信号所需的存贮或传输容量。使用当前发明,用于1比特过采样音频信号的无损编码器的性能(压缩比)可得到改善。这通常是通过否决用于无损编码器的概率信号而实现的。

Description

数字信息信号的算术编码/解码

本发明涉及对数字信息信号进行编码的算术编码器装置、涉及将经算术编码的数字信息信号算术解码为数字信息信号的算术解码装置、涉及对数字信息信号进行算术编码的算术编码方法并涉及一个记录载体。

在相关文献表中的文献D1中公开了如上所述的算术编码装置，该文献是由F.Bruekers等写的出版物“Improved lossless codingof 1-bit audio signal”。

本发明旨在提供一种措施，以改善使用已有技术中所公开的算术编码器的无损编码。

依据本发明，算术编码器包括

——输入装置，用于接收数字信息信号，

——算术编码器，它具有用来接收一个输入信号的第一输入、用来接收一个概率信号的一个第二输入、以及用来提供一个输出信号的一个输出，该算术编码器用于响应所述概率信号，对输入信号执行一个数据压缩步骤，以便获得输入信号的数据压缩文本，并能向所述输出提供输入信号的该数据压缩文本，

——概率信号发生装置，用于产生用在所述算术编码器上的概率信号，其特征在于该装置还包括：

——用于对算术编码器进行切换使其进入编码模式的装置，这种模式用于将输入信号的一个或多个码元编码为输出信号的相应码元，这种输出信号的码元实质上与输入信号的码元是一致的。

本发明是基于对预测滤波器以及概率表的认知而作出的，这种预测滤波器和概率表是为得到最佳平均特性而设计的，但它们的局部特性可能会与最佳相去甚远。这会导致低的压缩效率。依据本发明，算术编码器被切换为压缩模式，这样它将所接收到的信号编码为实质上与所接收到的信号相一致的编码输出信号。这例如可以通过以下方式实现，即把算术编码器切换到用于对所接收到的信号进行编码的编码模式，就好象是有预定的或固定的概率信号加到该算术编码器那样。

以下将在附图说明中进一步说明本发明的这些及其它方面，其中

图1a显示了一种无损编码器的电路图，图1b显示了相应的解码器的电路图，它们都使用了线性预测和算术编码，

图2显示了作为预测滤波器输出|Z|的函数的一个校正预测的概率P0的一个例子，

图3显示了信号被编码的例子，它说明了在以下情况下所传送的比特数：

(a)没有编码(点线)，(b)对所有位的编码都使用了概率表(实线)，以及(c)对于头128比特，概率表的输出被P₀＝P₁＝1/2(虚线)所替代，其中这种控制使得改善了压缩率，

图4显示了信号被编码的另一个例子，它说明了在以下情况下的比特数：

(a)没有编码(点线)，(b)对所有位的编码都使用了概率表(实线)，以及(c)对于头128比特，概率表的输出被P₀＝P₁＝1/2(虚线)所替代，其中这种控制使得压缩率很差，

图5a显示了依据本发明的无损编码器的电路图，图5b显示了相应的解码器的电路图，它们都具有否决由概率表(P(|.|))所提供的概率的装置，

图6显示了包含在表现为记录装置形式的发送器内的图5a的无损编码器，图6a显示了包含在表现为再现装置的接收器内的无损解码器。

以下，将通过图1简要地说明无损编码和解码的过程，主要是对1比特过采样音频信号的例子进行说明，其中在图1a中显示了算术编码器装置的一个实施例，在图1b中显示了算术解码器装置的一个实施例。

图1a的装置内的无损编码是在音频信号的单独部分(帧)上执行的。这样一帧的典型长度为37632比特。输入信号F的两个可能的比特值”1”和”0”分别代表采样值+1和-1。对于每一帧，用于预测滤波器Z^-1.A(z)的一组系数例如可以由自动校正方法来确定。该滤波器的输出标记Z确定了所预测的比特F_p的值，而滤波器输出信号Z的幅度表明预测为正确的可能性。一个正确的预测或F＝F_p等价于残余信号E内的E＝0。每一帧都计算概率表P(|.|)内容，这样Z的每一个可能的值P₀都是E＝0时的概率。在图2中显示了概率表的典型内容。对于小的|Z|值，正确预测的概率近似为0.5，对于大的|Z|值，正确预测的概率近似为1.0。很清楚，不能正确预测的概率为P₁＝1-P₀，其中F≠F_p或E＝1。

图1a的装置内的算术编码器(AC Enc.)对E的比特序列进行编码，这样代码(D)只需要较少的比特。由此，算术编码器使用信号E的位n-E(n)-具有一个特定值的概率。用于对位E[n]＝0进行编码的比特数为：

d_n＝-²log(P₀)+ε    (比特)                 (等式1)

由于P₀≥1/2(见图2)，所以它实际上最多为1比特。对位E[n]＝1进行编码的比特数为：

d_n=-²log(P₁)+ε＝-²log(1-P₀)+ε  (比特)    (等式2)

它不少于1比特。在两个等式中的ε表示算术编码器的非最佳状态，但在实际上是可被忽略的。

正确预测(E[n]＝0)使得在编码(D)中少于1比特，而不正确预测使得在编码(D)中多于1比特。如此设计概率表，使得对完整帧的平均量来说，用于编码D的比特数是最少的。

除编码D外，预测滤波器的系数以及概率表的内容也必须被从编码器传送到解码器。

在图1b的解码器装置中，由于它刚好是所执行的编码器处理的逆处理，这样就建立了一个无损编码系统。对于重现信号E的正确值，算术解码器(AC Dec.)具有与算术编码器一致的概率。因此，解码器包括与编码器相同的预测滤波器以及概率表。

现在，可以认定用本发明能解决问题。虽然预测滤波器和概率表的设计都使它们的平均特性为最佳，但它们的局部特性可能很差。这种情况的一个例子就是帧的起点，在该点，预测滤波器不具有可以用来预测下一个采样的实际采样。因此，预测滤波器的输出信号不总是对正确预测的概率的一个可靠的指示符。

这一点将参照图3进行进一步的说明。图3中的实线是对信号E的前n个比特进行编码所需的代码字D的比特数。点线给出了在没有压缩的情况下的代码字D内的比特数。为了对信号E的前1000比特进行编码，在代码字D中仅需要500比特。但是对于同一信号E的前100比特，在代码字D中需要大约170比特。在后一种情况中，代码会需要比原始信号更多的比特。对于另一帧，图4显示了分别使用与图3中相同比特数的情况，其中在对信号E的前100比特进行编码时没有遇到什么问题。同样在其它位置而不是在帧的起始处，也会出现编码执行的很差的情况。在这种情况下，最好传输E的原始比特而不是D的编码文本。

现在的问题是合并代码字D和原始信号E的一部分，这样解码器可检查出正确数据。这可以通过以下方式得到解决。

从等式1和等式2中，可看出对于P₀＝1/2，代码字D内的比特数为d_n≈-²log(1/2)＝1。这意味着实际上，无论是被直接传输的E的信号比特，还是被编码的具有概率P₀＝1/2的E的单个比特，其无损编码器的压缩比没有差别。这样，如果对于预测执行得很差的信号E的一部分，由概率表所提供的概率被值1/2所替换，则压缩比得到改善。依据这一方案，在代码字D和原始信号E的一部分进行合并时不会出现问题。

在图3和图4中，虚线给出了在用概率P0＝P1＝1/2对前128比特(即预测的阶数)进行编码的情况下的代码字D的比特数。在图3的情况下，压缩比提高了，在图4的情况下，压缩比变差了。这两个例子显示出具有选择性的必要性，例如对帧的前几个比特，否决由概率表所提供的概率。这可以由从编码器发送到解码器的控制数据内的一个单个比特来表示。

对于预测执行得很差且最好否决由概率表所提供的概率的帧的起始处，比特数目依赖于预测滤波器的阶数。最好被否决掉的概率的实际比特数可以被明确地从编码器传送到解码器。也可以将这一数目与例如是与预测阶数或预测阶数的已知片段相一致的预测阶数联系在一起。

对于预测执行得很差且最好否决由概率表所提供的概率的帧，为识别该帧内其它位置的第一位置，许多方法都很合适。举个例子，从由编码器传送到解码器的控制数据中，既可确定出第一比特的索引，也可确定出比特的总数目，以便用于否决由概率表所提供的概率。

对预测执行得很差且最好否决由预测表所提供的概率的帧，为确定该帧内的下一个位置，可以使用与用于第一位置相同的方法。但是，它确定这下一个位置的起始处的优势并不是绝对的，它仅仅是相对于最好是否决由概率表所提供的概率的在前位置而言的。在图5a和5b中，显示出可以使用多路复用器来否决概率信号。

对无损编码器的压缩比来说，用与1/2不同的值来替代由概率表所提供的概率可能是很有优势的。在这种情况下，必须以某种方式将实际值从编码器传送到解码器。

可以作出是否应当否决由概率表提供的概率以提高压缩比的决定，而不用对该数据进行实际编码。依据等式1和2可以确定出什么样的决定是最佳的。

图6a显示了传输装置的一个实施例，它表现为一种记录装置。该记录装置包括图5a所示的数据压缩装置。记录装置还进一步包括一个写入单元106，以便向记录载体108的一个轨道上写入数据压缩信息信号。在本实施例中，记录载体108是一个磁记录载体，这样写入单元106包括至少一个磁头110，用于将数据压缩信息信号写入记录载体108中。但是该记录载体可以是一个光记录载体，例如是一张CD盘或一张DVD盘108’。

通过象射频链或记录载体这样的传输介质的传输，一般需要一个误差校正编码以及在所要传输的数据压缩信息信号上执行一个信道编码。图6a显示了这样一种信号处理步骤。因此图6a的记录装置包括本领域所熟知的一个误差校正编码器102以及也是本发明所熟知的一个信道编码器104。

图6b显示了接收机装置内所采用的图5b的数据扩展装置，该装置表现为一种重放装置。重放装置还包括一个读出单元112，用于读出来自记录载体108上的一个轨迹的数据压缩信息信号。在本例中，记录载体108是一个磁记录载体，这样读出单元112包括至少一个磁头114，用于读出来自记录载体108的数据压缩信息信号。但是，记录载体可以是象CD盘或DVD盘108’这样的一种光记录载体。

如上所述，经过象射频链或记录载体这样的传输介质的传输一般需要一个误差校正以及对所要传输的n级数据压缩信息信号执行一个信道编码，这样可以在接收时执行一个相应的信道解码以及误差校正。图6b显示了在由读出装置112所接收的接收信号上执行信道解码和误差校正的信号处理步骤。因此，图6b的再现装置包括本领域所熟知的一个信道解码器116，以及也是本领域所熟知的一个误差校正单元118，这样就可得到数据压缩信息信号的一个副本。

同时，将参照本发明的最佳实施例对本发明进行说明，应该理解这些实施例并不是限制本发明的例子。这样对本领域技术人员来讲，在未脱离由权利要求书所定义的本发明的范围的情况下，显然可以有各种各样的修改。

举个例子，上述系统仅使用了两级信号处理。在那种情况下，需要对所要编码的每一码元仅采取一个概率值形式的概率信号。由概率信号发生器单元所产生的概率信号被表示为P(|.|)，它被等于1/2的概率信号所替代。但是，当前的思想还适用于多级信号的情况。这样，以值P＝1/2的形式出现的概率信号应当被对那种状况是最优的另一个概率信号所替代。举个例子，对于要在算术编码器中进行编码的N级信号，需要向算术编码器的概率信号输入端提供以N-1个概率值形式出现的概率信号。用于否决由概率信号发生器单元所产生的被表示为P(|.|)的概率信号的概率信号可以是这样的，即所有所述N-1个概率信号值都等于1/N。

另外，本发明还在于这些特征中的每一个以及全部新颖的特征或是这些特征的组合。

相关文献

(D1)F.Brueker等写的“Improved lossless coding of 1-bit audio signals”，刊在1997年9月26-29日的第103次AES会议的预印本4563(I-6)上。

Claims (26)

1.用于对数字信息信号进行算术编码的算术编码器装置，包括：

——输入装置，用于接收数字信息信号，

——算术编码器，它具有用于接收一个输入信号的第一输入、用于接收一个概率信号的第二输入、以及用于提供一个输出信号的一个输出，该算术编码器用于根据所述概率信号而对所述输入信号执行数据压缩步骤，以便得到所述输入信号的数据压缩文本，并将所述输入信号的所述数据压缩文本提供给所述输出端，

——概率信号发生装置，用于产生用于所述算术编码器上的所述概率信号，其特征在于该概率信号发生装置还包括将算术编码器切换到编码模式中的装置，以便将所述输入信号的一个或多个码元编码为相应的输出信号码元，该输出信号码元基本与所述输入信号的所述码元一致。

2.如权利要求1所述的算术编码器装置，其特征在于所述切换装置适于将算术编码器切换为所述编码模式，就好象一个预定的和固定的概率信号被加到所述算术编码器上。

3.如权利要求2所述的算术编码器装置，其特征在于所述切换装置包括否决装置，用于否决概率信号传递到算术编码器，并将所述预定的和固定的概率信号加到所述算术编码器上，以便对所述输入信号的所述一个或更多码元进行编码。

4.如权利要求3所述的算术编码器装置，其特征在于所述输入信号是一个n级数字信号，且否决装置适于将一个概率信号加到所述算术编码器上，用于对所述输入信号内的一个或多个码元进行编码，其中所述概率信号包括至少一个等于1/n的概率值。

5.如权利要求4所述的算术编码器装置，其特征在于n＝2。

6.如权利要求3、4或5所述的算术编码器装置，其特征在于所述否决装置包括连接在所述概率信号发生装置和所述算术编码器的所述第二输入之间的多路复用器装置，所述多路复用器用于响应一个控制信号，而将所述预定的概率信号多路传输到其输出，以便能对所述输入信号内的所述一个或多个码元进行编码。

7.如在先权利要求中任意一个权利要求所述的算术编码器装置，其特征在于所述输入信号与所述数字信息信号一致。

8.如权利要求1到6中任何一个权利要求所述的算术编码器装置，其特征在于所述装置还包括

——预测滤波器装置，用于从所述数字信息信号中导出所述数字信息信号的预测文本，

——信号组合装置，用于对数字信息信号和所述数字信息信号的预测文本进行组合，以便能得到一个残余信号，所述残余信号是所述算术编码器的所述输入信号。

9.如权利要求8所述的算术编码器装置，其特征在于预测滤波器装置包括：

——一个预测滤波器，用于从所述数字信息信号中导出多值预测信号，

——量化装置，用于量化所述多值预测，以便获得所述数字信息信号的所述预测文本，

所述概率信号发生装置适用于从所述多值预测信号中导出所述概率信号。

10.如前述权利要求中任意一个权利要求所述的算术编码器装置，其特征在于它还包括误差校正编码装置以及/或信道编码装置，其中误差校正编码装置用于在算术编码器的输出信号上执行误差校正编码，信道编码装置用于在所述输出信号上执行一个信道编码步骤，以便能通过一个传输介质传输输出信号。

11.如权利要求10中所述的算术编码器装置，其特征在于所述传输介质是一种象光或磁记录载体这样的记录载体，而且该装置还包括写入装置，用于向所述记录载体写入所述输出信号。

12.用于对一个数字信息信号进行算术编码的算术编码方法，该方法包括以下步骤：

——接收数字信息信号，

——响应一个概率信号，在算术编码器内对一个输入信号执行数据压缩步骤，以便获得所述输入信号的数据压缩文本，

——向一个输出端提供所述输入信号的所述数据压缩文本，

——产生用于所述算术编码步骤的所述概率信号，其特征在于该方法还包括将算术编码器切换到编码模式中的步骤，以将所述输入信号的一个或多个码元编码为相应的输出信号的码元，它们与所述输入信号的所述码元基本一致。

13.如权利要求11所述的算术编码方法，其特征在于所述方法还包括在象光或磁记录载体这样的一个记录载体上记录所述输出信号的步骤。

14.用权利要求13的方法所得到的记录载体。

15.将经算术编码的数字信息信号算术解码为一个数字信息信号的算术解码装置，其特征在于包括

——输入装置，用于接收经过算术编码的数字信息信号，

——一个算术解码器，它具有用于接收经过算术编码的信息信号的第一输入、用于接收一个概率信号的第二输入、以及用于提供一个输出信号的一个输出，所述算术解码器适用于响应所述概率信号，而对经过算术编码的数字信息信号执行一个数据扩展步骤，以便得到所述输出信号，

——概率信号发生装置，用于产生用在所述算术解码器上的所述概率信号，

——输出装置，用于提供所述数字信息信号，其特征在于所述装置还包括用于将算术解码器切换到解码模式中的装置，以便将经过算术编码的数字信息信号内的一个或多个码元解码为所述输出信号中的相应的码元，这些相应的码元与经过算术编码的数字信息信号的所述码元基本一致。

16.如权利要求15所述的算术解码装置，其特征在于所述切换装置适用于将所述算术解码器切换到所述解码模式，就好象有一个预定和固定的概率信号加在所述算术解码器上。

17.如权利要求16所述的算术解码装置，其特征在于所述切换装置包括否决装置，用于否决概率信号传递到所述算术解码器，并用于向所述算术解码器提供所述预定的和固定的概率信号，以便对所述经过算术编码的数字信息信号中的所述一个或多个码元进行解码。

18.如权利要求17所述的算术解码装置，其特征在于所述输出信号是一个n级数字信号，且否决装置适用于向所述算术解码器提供一个概率信号，以便对所述经编码的数字信息信号中的一个或多个码元进行解码，其中所述概率信号包括至少一个等于1/n的概率值。

19.如权利要求18所述的算术解码装置，其特征在于n＝2。

20.如权利要求17、18或19中所述的算术解码装置，其特征在于所述否决装置包括连接在所述概率信号发生装置和所述算术解码器的所述第二输入之间的多路复用器装置，所述多路复用器装置适用于响应一个控制信号而将所述预定的概率信号多路再现在其输出端，以便能够对所述经编码的数字信息信号内的所述一个或多个码元进行解码。

21.如权利要求17、18、19或20所述的算术解码装置，其特征在于所述输出信号与数字信息信号是一致的。

22.如权利要求17到20中任何一个权利要求所述的算术解码装置，其特征在于所述装置还包括

——预测滤波器装置，用于从所述数字信息信号中导出所述数字信息信号的一个预测文本，

——信号组合装置，用于将所述输出信号与所述数字信息信号的所述预测文本进行组合，以便得到一个数字信息信号。

23.如权利要求22所述的算术解码装置，其特征在于所述预测滤波器装置包括

——一个预测滤波器，用于从所述数字信息信号中导出多值预测信号，

——量化装置，用于对所述多值预测信号进行量化，以获得所述数字信息信号的所述预测文本，

所述概率信号发生装置适用于从所述多值预测信号中导出所述概率信号。

24.如权利要求17到23中的任何一个权利要求所述的算术解码装置，其特征在于它还包括误差校正装置和/或信道解码装置，其中误差校正装置用于对经编码的数字信息信号执行一个误差校正，信道解码装置用于在向所述算术解码器的所述第一输入提供经编码的数字信息信号之前，对所述经编码的数字信息信号执行一个信道解码步骤。

25.如权利要求24所述的算术解码装置，其特征在于该装置还包括读出装置，用于读取来自象光或磁记录载体这样的一个记录载体的经编码的数字信息信号。

26.如权利要求11所述的算术编码器，其特征在于它还包括转换装置，用于记录代表记录载体上的控制信号的一个信号。

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