自适应差分脉冲编码调制编码设备和解码设备的制作方法

专利名称：自适应差分脉冲编码调制编码设备和解码设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及自适应差分脉冲编码调制编码设备和自适应差分脉冲编码调制解码设备，尤其涉及即使当通过自适应差分脉冲编码调制对数据进行了充分压缩时、也能够获得良好的再现声音特性的编码设备和解码设备。
背景技术：
ADPCM(Adaptive Differential Pulse-code Modulation,自适应差分脉冲编码调制)是以下的技术针对采样后的且数字编码后的声音信号的PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)信号，通过使用(适应)与一个样本之前(索引n_l)的采样值和当前采样值(索引n)之间的差分值dn相对应的量化宽度Δη来对该差分值进行编码。 利用该技术，可以高效地对PCM信号进行压缩。以下将参考图IA和IB来说明根据现有技术的ADPCM编码设备和ADPCM解码设备。 在图IA所示的ADPCM编码设备中，A/D转换器1对所输入的模拟声音信号进行采样，以将该信号转换成数字值Χη。接着，使用ADPCM方法对数字值Xn进行编码，并且将编码值Dn存储在存储器8中。另一方面，在图IB所示的ADPCM解码设备中，从存储器8读出编码信号Dn。之后， 使用ADPCM方法对编码信号Dn进行解码(再现)，并且D/A转换器13将解码值Yn转换回模拟声音信号(参见专利文献1)。例如，使用前述的ADPCM方法可以将带符号的16位PCM码转换成带符号的4位压缩ADPCM码。接着，将详细说明图IA和IB分别示出的ADPCM编码设备和ADPCM解码设备的操作。在图IA所示的ADPCM编码设备中，首先，加法器(减法器)2获得当前时刻的声音信号的数字值Xn与经由解码器5、加法器6以及延迟装置7获得的一个样本之前的解码信号Ylri之间的差分值dn。dn = Xn-Ylri之后，编码器3通过使用从自适应量化部4输入的自适应量化率Δη(自适应量化特性)，将加法器2所获得的差分值dn转换成量化值Dn(ADPCM值)。在此时的量化处理中， 例如，对差分值dn除以自适应量化率Δη，并且将通过进行除法计算所获得的商转换成整数。An= An^1 . M(Dn^1)Dn= [dn/An]顺便提及，自适应量化率八 的以上等式中的M是以ADPCM值Dlri作为变量的函数，并且是基于信号波形的统计性质所确定的。例如，在非专利文献1和2中示出这种结构的一个例子。当量化值的级别的绝对值小时，M < 1，并且当量化值的级别的绝对值大时，M > 1。此外，々0 011值011的以上等式右侧的[dn/An]表示不超过dn/Δ n的最大整数。
此外，将编码器3计算出的ADPCM值Dn存储在存储器8中。通过重复进行以上处理，将模拟输入信号(声音信号)数字转换成ADPCM信号，并且将该ADPCM信号存储在存储器中。顺便提及，如下获得经由解码器5、加法器6和延迟装置7所获得的自当前时刻起的一个样本之前的解码信号Yn-i。首先，在解码器5中，通过使用自适应量化率Alri对一个样本之前的声音信号的数字值Xlri的ADPCM值Dlri进行解码，从而变为变化量qn_lt)qn-! = (D^^O. 5) · An^1之后，加法器6将从解码器5输出的变化量qn_i与从延迟装置7输出的又一个样本之前的解码数字值Yn-2相加，由此计算解码值Yn-PYiri = ΥμΙ延迟装置7延迟以这种方式获得的解码值Ylri，并将延迟后的解码值Ylri输入至加法器2。此外，加法器2获得延迟后的解码值Ylri和当前时刻的声音信号的数字值)(η之间的差分值dn。在图IA所示的ADPCM编码设备中，重复前述处理，以进行使用ADPCM方法的编码操作。接着，以下将说明图IB所示的ADPCM解码设备(ADPCM解码器)的操作。首先，在 ADPCM解码设备的解码器10中，通过使用从自适应量化部9输入的自适应量化率Δ η对从存储器8读出的声音信号的数字值Xn的ADPCM值Dn进行解码，以计算变化量qn。顺便提及，与ADPCM编码设备相同，自适应量化率八 是数字值Xlri的ADPCM值Dlri的函数，并且是基于信号波形的统计性质所确定的。An= An^1 - M(Dn^1)qn = (Dn+0. 5) · Δη此外，加法器11将解码器10计算出的变化量qn与从延迟装置12输出的一个样本之前的解码值Ylri相加，以获得解码值γη。Yn = YnJqn通过重复进行以上处理，从存储器8读出ADPCM值Dn，并且获得与ADPCM值Dn相对应的解码值Yn。此外，D/A转换器13将所获得的解码值Yn转换成模拟声音信号，并且输出该声音信号。顺便提及，使用经由存储器(存储装置或记录装置)输入和输出ADPCM值的例子说明了 ADPCM编码设备和ADPCM解码设备的处理操作；然而，例如，ADPCM值还可以是相对于发送器/接收器的输入信号/输出信号。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2008-46405非专利文献非专利文献 1 :http //www, oki. com/jp/rd/ss/adpcm. html, “ADPCM voice encoding technology，，:Tomohiko Uyematsu,"Introduction to Text Data Compression", CQ publishing company, October 15，199
发明内容
发明要解决的问题如上所述，传统上已使用ADPCM作为用于在不使声音质量劣化的情况下对数据量进行压缩的技术。本发明的目的在于提供以下的ADPCM编码设备和ADPCM解码设备与传统的 ADPCM设备相比较，所述ADPCM编码设备和ADPCM解码设备能够进一步提高压缩率，并且能够防止声音质量劣化。用于解决问题的方案为了实现前述目的，根据本发明的方面，一种ADPCM编码设备，用于输入采样后的 PCM信号以获得ADPCM信号，并且包括加法部，用于获得所输入的PCM信号在预定时刻的信号值与在该信号值的一个样本之前的解码信号值之间的差分值；高频测量部，用于检测表示所述PCM信号的短周期变化(short-period change)的第一信号；低频测量部，用于检测表示所述PCM信号的长周期变化(long-period change)的第二信号；自适应量化部，用于基于所述第一信号和所述第二信号来改变针对所述差分值的自适应量化特性，从而将所述差分值转换成ADPCM值；以及自适应逆量化部，用于对所述ADPCM值进行自适应逆量化以获得所述解码信号值。在根据本发明的ADPCM编码设备中，所述自适应量化部可以基于所述第一信号和所述第二信号来选择用于改变所述自适应量化特性的函数，并且使用所选择的函数来对所述差分值进行量化。在根据本发明的ADPCM编码设备中，所述自适应量化部可以基于所述第一信号和所述第二信号的组合来选择用于改变所述自适应量化特性的函数。在根据本发明的ADPCM编码设备中，所述自适应量化部可以包括包含多个寄存器的量化部，所述多个寄存器用于重写利用所选择的函数进行了预定计算后的差分值，并且在所述多个寄存器中，一部分寄存器固定为0值，并且删除与固定为0值的寄存器相对应的位，以对所述差分值进行量化。在根据本发明的ADPCM编码设备中，所述高频测量部可以包括串联连接的多个延迟电路；以及第一运算单元，用于对所述多个延迟电路各自的输入值与输出值之间的差的绝对值求和；所述低频测量部可以包括串联连接的多个延迟电路；以及第二运算单元， 用于求出所述多个延迟电路各自的输出的总和，并且将所求出的总和值除以所述延迟电路的数量，其中，所述高频测量部和所述低频测量部共用串联连接的所述多个延迟电路。根据本发明的ADPCM编码设备还可以包括第一量化部和第二量化部，所述第一量化部和所述第二量化部用于分别对所述第一信号的值和所述第二信号的值进行量化，所述第一量化部和所述第二量化部分别连接至所述高频测量部的输出侧和所述低频测量部的输出侧，其中，所述自适应量化部基于从所述第一量化部和所述第二量化部分别输出的量化后的第一信号的值和量化后的第二信号的值，改变针对所述差分值的所述自适应量化特性。根据本发明的ADPCM编码设备还可以包括压缩编码部，所述压缩编码部用于对从所述自适应量化部输出的ADPCM信号进行压缩编码。
根据本发明的ADPCM编码设备还可以包括成帧部，所述成帧部用于对所述ADPCM 信号或压缩编码后ADPCM信号进行成帧处理。在根据本发明的ADPCM编码设备中，所述成帧部可以对预定时间段的所述ADPCM 信号或所述压缩编码后ADPCM信号以及所述预定时间段的与所述第一信号和所述第二信号相对应的信号进行成帧处理。为了实现前述目的，根据本发明的另一方面，一种ADPCM解码设备，用于输入 ADPCM信号以获得PCM信号，并且包括自适应逆量化部，用于基于用于指定获得所输入的 ADPCM信号所使用的自适应量化特性的变化的信号，改变针对所输入的ADPCM信号在预定时刻的信号值的自适应逆量化特性，从而将所述信号值转换成差分值，以及加法部，用于将所述差分值与一个样本之前的解码信号相加，以获得在所述预定时刻的解码信号值。根据本发明的ADPCM解码设备还可以包括压缩解码部，所述压缩解码部用于对压缩编码后ADPCM信号进行解码并将解码后的ADPCM信号输出至所述自适应逆量化部，其中，所述压缩编码后ADPCM信号是通过对所输入的ADPCM信号进行压缩编码所获得的ADPCM 信号。根据本发明的ADPCM解码设备还可以包括解帧部，所述解帧部用于对成帧的信号进行解帧，其中，所输入的ADPCM信号和所述压缩编码后ADPCM信号是通过对预定时间段的所述ADPCM信号或所述压缩编码后ADPCM信号以及用于指定所述预定时间段的自适应量化特性的变化的信号进行成帧处理所获得的成帧的信号，其中，所述解帧部读出所述预定时间段的所述ADPCM信号或所述压缩编码后ADPCM信号，并且读出用于指定所述预定时间段的自适应量化特性的变化的信号。发明的效果通过使用根据本发明的ADPCM编码设备和ADPCM解码设备，可以提高压缩率并且获得良好的再现声音。


图IA和IB是分别示出根据现有技术的ADPCM编码设备的结构和ADPCM解码设备的结构的图；图2是示出根据本发明实施例的ADPCM编码设备的示意结构的图；图3是示出高频测量部和低频测量部的详细结构的图；图4A 4D是示出高频测量部和低频测量部所获得的信号与实际声音信号的波形之间的关系的图；图5A是示出自适应量化部要使用的函数的图，并且图5B是示出与从量化部输出的声音信号的短周期变化和长周期变化相对应的信号与用于选择图5A所示的函数的选择信号之间的关系的表；图6是用于解释自适应量化部的结构和操作的图；图7是示出从ADPCM编码设备输出的成帧数据(framed data)的示意结构的图； 以及图8是示出根据本发明的前述实施例的ADPCM解码设备的示意结构的图。
具体实施例方式在根据本发明的ADPCM编码设备中，检测声音信号的PCM信号的短周期变化(即， 频率)和长周期变化(即，斜率)，并且通过根据PCM信号的短周期变化和长周期变化的组合改变自适应量化率(即，自适应量化特性)来对PCM信号进行最佳量化。此外，在根据本发明的ADPCM解码设备中，根据本发明的ADPCM编码设备所使用的PCM信号的短周期变化和长周期变化的组合来对量化信号进行解码。通过使用前述的量化方法，可以在声音信息较少的区域中增大量化率，并且可以在声音信息较多的区域中减小量化率。结果，利用本发明，可以获得具有可变位长度的数字信号(量化码)。此外，利用本发明，可以对通过使用例如霍夫曼(Huffman)编码方法等的可逆数据压缩技术的、能够处理具有可变位长度的码的数据压缩技术所获得的数字信号进行压缩。通过使用这些技术，可以提高数据压缩率，并且可以改善再现声音。以下将图2 8所示的实施例作为本发明的具体结构例子来进行说明。然而，本发明不局限于该例子。图2是示出根据本发明实施例的ADPCM编码设备的示意结构的图。图3是示出高频测量设备和低频测量部的结构的图，其中，高频测量部用于检测与声音信号的短周期变化(即，频率)相对应的信号，并且低频测量部用于检测与声音信号的长周期变化(即，斜率)相对应的信号。图4A 4D是示出从高频测量部和低频测量部输出的信号与实际声音信号的波形之间的关系的图。图5A是示出用于获得在进行自适应量化时使用的自适应量化率的函数的图，并且图5B是示出从高频测量部和低频测量部输出的信号与用于选择图 5A所示的函数的选择信号之间的关系的表。图6是用于解释图2所示的自适应量化部103 的结构和操作的图。图7是示出从ADPCM编码设备输出的成帧数据的结构的图。图8是示出根据本发明的前述实施例的ADPCM解码设备的示意结构的图。ADPCM编码设备的概述首先，以下将参考图2来说明根据本发明实施例的ADPCM编码设备100的结构和操作。ADPCM编码设备的结构ADPCM编码设备100包括预测器101、自适应量化部103、自适应逆量化部105、压缩编码部108、高频测量部120、低频测量部121、两个量化部122和124(即，第一量化部和第二量化部)、选择部1 和成帧部130。以下将说明各组件的结构和功能。预测器101包括减法器(加法部)102、加法器106和延迟电路107。减法器102 的“_”输入端子连接至声音信号的PCM信号Xn的输入端子，并且减法器102的“ + ”输入端子连接至延迟电路107的输出端子。此外，加法器106的两个输入端子分别连接至延迟电路107的输出端子和自适应逆量化部105的输出端子。预测器101利用减法器102计算所输入的声音信号的PCM信号Xn和从延迟电路 107输出的一个样本之前的解码信号Ylri之间的差分值dn。此外，预测器101将计算出的差分值dn输出至自适应量化部103。顺便提及，通过加法器106将值Cilri与值Yn_2相加来计算一个样本之前的解码信号Ylri，其中，值Qlri是通过自适应逆量化部105对与一个样本之前的差分值Cllri相对应的自适应量化值Dlri进行逆量化所获得的，并且值Υη_2是从延迟电路 107输出的两个样本之前的解码值。
自适应量化部103基于从选择部1 输入的选择信号Z选择用于获得预定的自适应量化率的函数，并且使用所选择的函数来对所输入的差分值《进行量化(编码)。此外， 自适应量化部103将自适应量化值Dn (ADPCM值)输出至压缩编码部108和自适应逆量化部 105这两者。顺便提及，此时，自适应量化部103输出例如(1 8)位的可变长度的ADPCM 值Dn。后面将更详细地说明自适应量化部103的结构和操作。自适应逆量化部105对从自适应量化部103输入的ADPCM值Dn进行逆量化，并且将逆量化值qn输出至预测器101内的加法器106。顺便提及，由于自适应逆量化部105的结构和操作与(后面要说明的)ADPCM解码设备的结构和操作相同，因此将在后面说明自适应逆量化部105的结构和操作的详细内容。压缩编码部108对从自适应量化部103输入的ADPCM值Dn进行压缩编码，并且将压缩编码信号D’ n输出至成帧部130。顺便提及，在压缩编码部108中，可以使用诸如霍夫曼编码方法等的能够应用于可变长度的输入信号的压缩编码方法。例如，霍夫曼编码方法和其它的可变长度压缩编码技术是前述的非专利文献2所述的已知技术。高频测量部120检测所输入的声音信号的PCM信号Xn的短周期变化(即，频率)， 并且将与该检测结果相对应的信号SA(第一信号)输出至量化部122。另一方面，低频测量部121检测所输入的声音信号的PCM信号Xn的长周期变化(即，斜率)，并且将与该检测结果相对应的信号AV(第二信号)输出至量化部124。后面将更详细地说明高频测量部120 和低频测量部121的结构和操作。量化部122对从高频测量部120输入的与声音信号的短周期变化相对应的信号SA 的值进行量化，并且将量化值S输出至选择部1 和成帧部130这两者。此外，量化部IM 对从低频测量部121输入的与声音信号的长周期变化相对应的信号AV的值进行量化，并且将量化值A输出至选择部1 和成帧部130这两者。顺便提及，量化部122和IM所使用的量化方法可以是线性量化方法或对数量化方法。如后面所述，从量化部122和IM分别输出的信号S和信号A用于选择从选择部1 输出至自适应量化部103的选择信号Z。选择部1 基于从量化部122和量化部IM分别输入的信号S和信号A(与声音信号的短周期变化相对应的信号和与声音信号的长周期变化相对应的信号)，选择当在自适应量化部103中对差分值Cln进行量化(编码)时使用的函数的选择信号Z。此外，选择部1 将所获得的选择信号Z输出至自适应量化部103和自适应逆量化部105。成帧部130按预定间隔对从压缩编码部108输入的压缩编码信号D’ n、从量化部 122输入的与声音信号的短周期变化相对应的信号S和从量化部IM输入的与声音信号的长周期变化相对应的信号A进行成帧。后面将说明成帧部130的更加详细的结构和操作。ADPCM编码设备的操作接着，以下将说明根据本实施例的ADPCM编码设备100的编码处理的操作的序列。 这里，如图2所示，将说明输入采样后的16位PCM信号Xn的例子。首先，当将PCM信号Xn输入至ADPCM编码设备100时，预测器101 (减法器102)计算PCM信号Xn和从预测器101内的延迟电路107输出的一个样本之前的解码信号Ylri之间的差分值dn(16位)。之后，预测器101 (减法器10 将计算出的16位差分值《输出至自适应量化部103。
之后，自适应量化部103基于从选择部1 输入的选择信号Z选择用于进行自适应量化的函数，并且改变自适应量化率(自适应量化特性)。此外，自适应量化部103使用所选择的函数来对所输入的差分值dn进行量化，从而将差分值dn转换成ADPCM值Dn。注意，此时，自适应量化部103将16位差分值dn转换成例如(1 8)位可变长度的ADPCM值Dn。此外，自适应量化部103将ADPCM值Dn输出至压缩编码部108和自适应逆量化部105。通过以上处理，在自适应量化部103中，对差分值dn进行最佳自适应量化，并且输出自适应量化后的可变长度的ADPCM值Dn。之后，压缩编码部108对从自适应量化部103输入的ADPCM值Dn进行压缩编码， 并且将压缩编码信号D’n输出至成帧部130。此外，此时，量化部122和IM分别将与声音信号的短周期变化相对应的信号S和与声音信号的长周期变化相对应的信号A输出至成帧部130。与所输入的采样后的PCM信号Xn同步进行前述处理。之后，成帧部130对预定数量的(预定时间段的)压缩编码信号0’ 进行成帧 (即，成帧部130使这些信号成为一个数据集)，并且输出这些成帧的信号。如后面所述，此时，从量化部122和IM输入的信号S和信号A均包括在该成帧数据集中。此外，与图IA 和IB所示的现有技术相同，从成帧部130输出的数据可以存储在存储器中，或者通过使用发送器发送至相应的ADPCM解码设备的接收器。通过以上处理，对所输入的声音信号的PCM信号Xn进行了自适应量化和压缩编码处理。高频测量部和低频测量部的结构和操作接着，以下将参考图3来说明高频测量部120和低频测量部121的结构和操作。高频测量部120包括串联连接的16个延迟电路112 (D1 D16)、和用于对延迟电路 112的输入-输出差的绝对值求和的运算单元114(第一运算单元)。运算单元114包括 绝对值计算部113，用于计算各延迟电路112的输入-输出差的绝对值；和加法器115，用于对绝对值计算部113计算出的16个延迟电路112的输入-输出差的绝对值求和。当将短周期信号即高频信号输入至具有前述结构的高频测量部120时(在PCM信号Xn包括高频信号成分的情况下)，各延迟电路112的输入值和输出值之间的差分值(即， 输入-输出差)大。因而，在这种情况下，运算单元114计算出的16个延迟电路112的输入-输出差的绝对值的总和、即输出信号SA的值大。作为对比，当将长周期信号即低频信号输入至高频测量部120时(在PCM信号Xn 不包括高频信号成分的情况下)，各延迟电路112的输入值和输出值之间的差分值小。在这种情况下，从运算单元114输出的信号SA的值也小。换言之，当将高频信号输入至高频测量部120时，高频测量部120的输出信号SA 的值大；并且当将低频信号输入至高频测量部120时，高频测量部120的输出信号SA的值小。顺便提及，在本实施例中，从高频测量部120输出的信号SA的值为正值。低频测量部121包括串联连接的16个延迟电路112和运算电路116(第二运算单元)。顺便提及，在本实施例中，如图3所示，高频测量部120和低频测量部121共用这16 个延迟电路112。顺便提及，本发明不局限于这种结构，而且包括高频测量部120和低频测量部121各自设置有多个延迟电路的结构。此外，尽管在本实施例中延迟电路112的数量为16个，但本发明的延迟电路112的数量不限于16个，而且可以是任何数量，只要可以检测到PCM信号Xn的短周期变化和长周期变化即可。运算单元116包括累积部117，用于累积从16个延迟电路112输出的信号；除算部118，用于将累积部117的输出值除以延迟电路112的数量(这里，延迟电路112的数量为16)；和绝对值计算部119，用于计算除算部118所获得的商的绝对值。通过以这种方式配置运算单元116，运算单元116可以获得PCM信号)(n在预定时间段内的平均值。顺便提及，在本实施例中，从低频测量部121输出的信号AV的值为正值。在具有前述结构的低频测量部121中，除算部118的输出值是从16个延迟电路 112输出的16个输出值的平均值。换言之，从绝对值计算部119输出的信号AV是通过将从 16个延迟电路112输出的多个输出值的平均值转换成正值所获得的值。因而，当将具有长周期(低频率)和大振幅的信号输入至低频测量部121时，由于从各延迟电路112输出的信号值大致相同且均为大，因此从延迟电路112输出的信号值的平均值(输出信号AV)大。作为对比，当将具有短周期(高频率)和大振幅的信号输入至低频测量部121时，从16个延迟电路112输出的16个信号值为正值和负值的混合。在这种情况下，从延迟电路112输出的信号值的平均值(输出信号AV)小。换言之，当将低频信号输入至本实施例的低频测量部121时，从低频测量部121输出的信号AV的值将变大；并且当将高频信号输入至低频测量部121时，从低频测量部121 输出的信号AV的值将变小。如图2所示，将以前述方式从高频测量部120和低频测量部121分别输出的信号 SA的值(16位)和信号AV的值(16位)分别输入至量化部122和量化部124。量化部122 将所输入的16位信号SA的值量化成3位信号，并且将量化信号S输出至选择部128。另一方面，量化部1 将所输入的16位信号AV的值量化成3位信号，并将量化信号A输出至选择部口8。此外，如上所述，在根据本实施例的ADPCM编码设备100中，将从量化部122和量化部IM分别输出的信号S的值和信号A的值彼此组合，以选择在对PCM信号Xn进行自适应量化时使用的函数。换言之，在本实施例中，实际上，将从高频测量部120和低频测量部 121分别输出的信号SA的值和信号AV的值、即PCM信号Xn的短周期变化和长周期变化彼此组合，以对PCM信号Xn进行自适应量化。声言号的短Ml其炉变仆长周其P^niiii舌应J■仆j丨旬的关系以下将参考附图来说明高频测量部120和低频测量部121分别计算出的信号SA 的值和信号AV的值与自适应量化特性之间的关系。图4A 4D示出来自高频测量部120的输出信号SA的值、来自低频测量部121的输出信号AV的值和实际声音信号的波形之间的关系。在输出信号SA的值小(接近于0的值)、并且输出信号AV的值也小(接近于0的值)的情况下，PCM信号XnW短周期变化和长周期变化这两者都为小。因而，在这种情况下，如图4A所示，实际声音信号的波形是振幅值接近于0的波形，并且该波形的振幅变化也为小。在输出信号SA的值大、但输出信号AV的值小(接近于0的值)的情况下，由于 PCM信号Xn的短周期变化大，因此如图4B所示，实际声音信号的波形是随机波形。此外，在输出信号SA的值小(接近于0的值)、但输出信号AV的值大的情况下，PCM信号Xn的短周期变化小且PCM信号Xn的长周期变化大。因而，在这种情况下，如图4C 所示，实际声音信号的波形是振幅缓慢变化的波形。此外，在输出信号SA的值大且输出信号AV的值也大的情况下，如图4D所示，实际声音信号的波形是通过将振幅随机变化的波形叠加在振幅缓慢变化的波形上所获得的波形。在本实施例中，通过考虑前述的短周期变化(信号SA)、长周期变化(信号AV)和实际声音信号的波形之间的关系来确定当自适应量化部103对差分值dn进行自适应量化时使用的函数。顺便提及，如以下所述，实际上，基于通过量化部122和量化部IM分别对信号SA和信号AV进行量化所获得的信号S和信号A来确定当自适应量化部103对差分值 dn进行自适应量化时使用的函数。在根据本实施例的自适应量化部103中，如图5A所示，准备了 64个函数，并且对于各函数，输出信号y的值(纵轴)相对于输入信号χ的值(横轴)而变化。顺便提及，对于这64个函数中的各函数，输出信号y的值相对于输入信号χ的值的变化量关于原点对称，并且针对正值或负值的输入信号X而输出正值或负值的输出信号y。此外，图5A中的“Z”表示由信号S(与声音信号的短周期变化相对应的信号)和信号A(与声音信号的长周期变化相对应的信号)所确定的函数的选择信号的值(0 63)。 此外，选择信号Z的值和自适应量化部103所选择的函数彼此一一对应。例如，当输入信号χ的绝对值小时，图5A中与选择信号Z = 0相对应的函数具有接近于0的值，并且输出信号y相对于输入信号χ的变化量小。此外，对于与选择信号Z = 0相对应的函数，当输入信号χ的绝对值大时，输出信号y的绝对值相对于输入信号χ的绝对值的变化量也大。与对应于选择信号Z = 0的函数相反，对于图5A中与选择信号Z = 63相对应的函数，当输入信号X的绝对值小时，输出信号y的绝对值相对于输入信号X的绝对值的变化量大。此外，对于与选择信号Z = 63相对应的函数，当输入信号χ的绝对值大时，输出信号 y的绝对值相对于输出信号χ的绝对值的变化量小。此外，图5A中与选择信号Z = 32相对应的函数是与选择信号Z = 0相对应的函数和与选择信号Z = 63相对应的函数之间的中间函数；并且对于与选择信号Z = 32相对应的函数，输出信号y相对于输入信号χ线性变化，以使得输入信号χ的值和输出信号y的值相同。图5B的表示出从量化部122和量化部124分别输出的3位信号S的值(0 7) 和3位信号A的值(0 7)、与基于信号S的值和信号A的值的组合所选择的选择信号Z的值(0 64)之间的关系。将该表数据存储在选择部128中，并且选择部1 使用该表，以基于所输入的信号S和信号A选择选择信号Z并且输出所选择的选择信号Z。例如，在信号S和信号A的组合为[S，A] = [3,1]的情况下，选择信号Z的值为 [M]，以使得在自适应量化部103中使用与选择信号Z = M相对应的函数。顺便提及，在图5B所示的选择信号Z的选择例子中，在图5A所示的选择信号Z= (0 63)中选择选择信号Z= 0 60)；然而，本发明不局限于该例子，而且可以应用其它的选择例子。在图5B所示的选择信号Z的选择例子中，在信号A的值恒定的情况下，如果与PCM 信号(声音信号)的短周期变化相对应的信号S的值变大，则选择与较小的选择信号Z相对应的函数。在这种情况下，在所选择的函数中，由于在输入信号X的绝对值大的区域中该函数的斜率大，因此在输入信号χ的绝对值大的区域中可以获得扩展了的输出信号y。另一方面，在图5B所示的选择信号Z的选择例子中，在信号S的值恒定的情况下， 如果与PCM信号(声音信号)的长周期变化相对应的信号A的值变大，则选择与较大的选择信号Z相对应的函数。在这种情况下，对于所选择的函数，由于在输入信号χ的绝对值小的区域中该函数的斜率变大，因此在输入信号χ的绝对值小的区域中可以获得扩展了的输出信号y。此外，在图5B所示的选择信号Z的选择例子中，当信号S的值和信号A的值相同时，选择与选择信号Z = 32相对应的函数、即使得输入信号χ的值和输出信号y的值彼此相等的函数。自适应量化部接着，将参考图6来更加详细地说明自适应量化部103的结构。如图6所示，自适应量化部103具有函数计算部103-1和量化部103-2。函数计算部103-1使用与从选择部1 输入的选择信号Z的值相对应的函数，来对从预测器101输入的差分值dJcV :N = 0 15)进行预定计算。此外，函数计算部103-1 将计算出的差分值dN2输出至量化部103-2。量化部103-2对从函数计算部103-1输入的差分值dN2进行量化，其中，已对差分值dN2进行了预定计算。此外，将量化差分值dK3(K = 0 7)输出至压缩编码部108。接着，将更加详细地说明自适应量化部103的自适应量化处理的内容。这里，将说明从预测器101输入的差分值dn是16位数据列((V Cl151)的例子。首先，函数计算部103-1使用基于选择信号Z所选择的函数，来对从预测器101输入的16位差分值《((V :N = 0 15)进行预定计算。此外，函数计算部103-1将通过进行前述计算所获得的16位差分值dN2输出至量化部103-2。之后，例如，量化部103-2将16位差分值dN2重写到下部8个索引的位信息固定为 “0”的16位寄存器中。之后，量化部103-2从重写后的16位信息去除固定为“0”的下部8 个索引的位信息。此外，量化部103-2将剩余的上部8个索引的位信息(V d73)输出至压缩编码部108。然而，如果此时所有的位信息均为“0”，则量化部103-2输出1位的“0”。在自适应量化部103中，如上所述，对从预测器101输入的16位差分值《进行量化，并且输出(1 8)位可变长度的ADPCM值Dn。之后，压缩编码部108对从自适应量化部 103输出的ADPCM值Dn进行压缩编码，并且将压缩编码信号D’ n输出至成帧部130。与输入至ADPCM编码设备100的采样后的PCM信号Xn的采样周期同步地进行前述的自适应量化部103中的量化处理。此外，还与采样后的PCM信号Xn的采样周期同步地进行压缩编码部108中的压缩编码处理，并且输出针对各采样后的PCM信号Xn的压缩编码后 ADPCM 值 D，n。成帧部接着，将参考图7来说明成帧部130的具体处理。根据本实施例，如上所述，在成帧部130中，针对每个预定时间段使自适应量化后的压缩编码后信号D’n聚集(S卩，成帧)， 然后进行输出。在图7所示的例子中，输入30秒的声音信号，并且对压缩编码信号D’ 进行成帧并且每隔100毫秒进行输出。
如图7所示，在输入30秒的声音信号的情况下，输出300个100毫秒的帧数据150， 其中各帧数据150均包括压缩编码信号D’ n。各帧数据150包括头部151、S信号部152、A信号部153和信号部154。顺便提及，将25个“1”连续存储在头部151中。此外，将针对100毫秒的输入信号的压缩编码后 ADPCM值D，n(当采样频率为44. IkHz时的4410个信号)存储在信号部154中。此外，将用于指定当获得100毫秒的ADPCM值D’ n时应用的函数的信号S(3位信号)的信息和信号A (3位信号)的信息分别存储在S信号部152和A信号部153中。在本实施例中，在对ADPCM值D’n进行成帧并且输出的情况下，与成帧的信号的数量相对应的时间段(例如，在图7所示的例子中为100毫秒)适应于使用同一函数来对输入信号进行转换(即，自适应量化)。换言之，针对大量成帧的信号分别(即，针对各帧)更新自适应量化部103所使用的函数。以这种方式，对大量的压缩编码后ADPCM值D’n进行成帧，由此无需针对各压缩编码后ADPCM值D’ n输出用于选择函数的信息。使用在成帧部130中每隔100毫秒对压缩编码后ADPCM值D’n进行成帧的例子说明了本实施例；然而，成帧周期(成帧的ADPCM值的数量)不局限于这种例子。ADPCM解码设备接着，以下将参考图8来说明根据本实施例的ADPCM解码设备200的结构和操作。(I)ADPCM解码设备的结构ADPCM解码设备200包括解帧部202、压缩解码部230、自适应逆量化部M0、加法电路252、延迟电路254、两个寄存器212和214以及选择部220。解帧部202读出所输入的帧数据的头部的信息以识别该帧。此外，解帧部202读出该帧内的S信号部和A信号部的信息。此外，解帧部202读出该帧内的信号部中存储的压缩编码后ADPCM值D，n。压缩解码部230对所输入的压缩编码后ADPCM值D’n进行解码。自适应逆量化部 240对压缩解码部230解码后的ADPCM值Dn进行逆量化，以将ADPCM值Dn转换成相应的差分值Qn°加法电路252将从自适应逆量化部240输入的差分值qn与从延迟电路2M输入的一个样本之前的解码信号Ylri相加，以计算与差分值qn相对应的解码信号值Yn。两个寄存器212和214将所输入的信号A和S的信息输出至选择部220，并且将该信息保持了 ι帧(即，100毫秒)。基于所输入的信号S和信号A的信息，选择部220计算用于选择自适应逆量化部240所使用的函数的选择信号。(2) ADPCM解码设备的操作接着，以下将说明根据本实施例的ADPCM解码设备200的解码处理的操作的序列。 首先，当将成帧的压缩编码后ADPCM值D，n输入至ADPCM解码设备200时，解帧部202读出头部的信息以识别该帧。此外，解帧部202读出S信号部和A信号部的3位信息，并且读出1 8位的压缩编码后ADPCM值D’n。此外，解帧部202将所读出的A信号部和S信号部的3位信息经由寄存器212和214输出至选择部220。此外，同时，解帧部202将所读出的压缩编码后ADPCM 值D’ n输出至压缩解码部230。之后，选择部220基于所输入的信号S和信号A的信息计算用于确定自适应逆量化部240所使用的函数的选择信号Z，并且将该选择信号Z输出至自适应逆量化部M0。顺便提及，自适应逆量化部240所使用的函数是用于在ADPCM编码设备中进行编码操作的函数的逆函数。压缩解码部230对压缩编码后ADPCM值D’ n进行解码以生成ADPCM值Dn，并将所生成的信号输出至自适应逆量化部240。之后，自适应逆量化部240使用在对ADPCM值Dn进行编码时使用的函数的逆函数来对解码后的ADPCM值进行逆量化，并且生成相对应的差分值qn。之后，自适应逆量化部 240将所生成的差分值1输出至加法电路252。顺便提及，由于自适应逆量化部MO的操作是已参考图6说明了的自适应量化部103的操作的逆操作、并且自适应逆量化部MO的结构被配置为进行自适应量化部103的操作的逆操作，因此这里将省略对自适应逆量化部 240的结构和操作的说明。此外，加法电路252将解码后的差分值qn与从延迟电路2M输入的一个样本之前的解码信号Ylri相加以计算PCM码Yn，并且输出PCM码Υη。如上所述，在根据本实施例的ADPCM解码设备200中，对成帧的压缩编码后ADPCM 值D’ η进行解码以获得PCM码Υη。其它实施例在前述实施例中，在已对ADPCM值Dn进行了压缩编码之后进行成帧处理；然而，本发明不限于此。例如，通过采用在进行自适应量化时输出固定长度的ADPCM值Dn而非如本实施例那样输出可变长度的ADPCM值Dn的结构，可以对ADPCM值Dn进行直接成帧。此外，可选地，可以采用以下的结构不一定需要对输入信号进行成帧的处理，并且从ADPCM自适应编码设备向ADPCM自适应解码设备同步发送用于选择在进行自适应量化时要使用的函数的数据(即，选择信号Ζ)。附图标记说明
100 ADPCM编码设备
101预测器
102减法器
103自适应量化部
105、240自适应逆量化部
106,252加法器
107、112、254延迟电路
108压缩编码部
114,116运算单元
120高频测量部
121低频测量部
122、124量化部
128,220选择部
130成帧部
200 ADPCM解码设备
202解帧部
212,214 寄存器230压缩解码部
权利要求
1.一种ADPCM编码设备，用于输入采样后的PCM信号以获得ADPCM信号，所述ADPCM编码设备包括加法部，用于获得所输入的PCM信号在预定时刻的信号值与在该信号值的一个样本之前的解码信号值之间的差分值；高频测量部，用于检测表示所述PCM信号的短周期变化的第一信号； 低频测量部，用于检测表示所述PCM信号的长周期变化的第二信号； 自适应量化部，用于基于所述第一信号和所述第二信号来改变针对所述差分值的自适应量化特性，从而将所述差分值转换成ADPCM值；以及自适应逆量化部，用于对所述ADPCM值进行自适应逆量化以获得所述解码信号值。
2.根据权利要求1所述的ADPCM编码设备，其特征在于，所述自适应量化部基于所述第一信号和所述第二信号来选择用于改变所述自适应量化特性的函数，并且使用所选择的函数来对所述差分值进行量化。
3.根据权利要求2所述的ADPCM编码设备，其特征在于，所述自适应量化部基于所述第一信号和所述第二信号的组合来选择用于改变所述自适应量化特性的函数。
4.根据权利要求2或3所述的ADPCM编码设备，其特征在于，所述自适应量化部包括包含多个寄存器的量化部，所述多个寄存器用于重写利用所选择的函数进行了预定计算后的差分值，并且在所述多个寄存器中，一部分寄存器固定为0值，并且删除与固定为0值的寄存器相对应的位，以对所述差分值进行量化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的ADPCM编码设备，其特征在于，所述高频测量部包括串联连接的多个延迟电路；以及第一运算单元，用于对所述多个延迟电路各自的输入值与输出值之间的差的绝对值求和，所述低频测量部包括串联连接的多个延迟电路；以及第二运算单元，用于求出所述多个延迟电路各自的输出的总和，并且将所求出的总和值除以所述延迟电路的数量，以及所述高频测量部和所述低频测量部共用串联连接的所述多个延迟电路。
6.根据权利要求5所述的ADPCM编码设备，其特征在于，还包括第一量化部和第二量化部，所述第一量化部和所述第二量化部用于分别对所述第一信号的值和所述第二信号的值进行量化，所述第一量化部和所述第二量化部分别连接至所述高频测量部的输出侧和所述低频测量部的输出侧，其中，所述自适应量化部基于从所述第一量化部和所述第二量化部分别输出的量化后的第一信号的值和量化后的第二信号的值，改变针对所述差分值的所述自适应量化特性。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的ADPCM编码设备，其特征在于，还包括压缩编码部，所述压缩编码部用于对从所述自适应量化部输出的ADPCM信号进行压缩编码。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的ADPCM编码设备，其特征在于，还包括成帧部，所述成帧部用于对所述ADPCM信号或压缩编码后的所述ADPCM信号进行成帧处理。
9.根据权利要求8所述的ADPCM编码设备，其特征在于，所述成帧部对预定时间段的所述ADPCM信号或压缩编码后的所述ADPCM信号以及所述预定时间段的与所述第一信号和所述第二信号相对应的信号进行成帧处理。
10.一种ADPCM解码设备，用于输入ADPCM信号以获得PCM信号，所述ADPCM解码设备包括自适应逆量化部，用于基于用于指定获得所输入的ADPCM信号所使用的自适应量化特性的变化的信号，改变针对所输入的ADPCM信号在预定时刻的信号值的自适应逆量化特性，从而将所述信号值转换成差分值，以及加法部，用于将所述差分值与一个样本之前的解码信号相加，以获得在所述预定时刻的解码信号值。
11.根据权利要求10所述的ADPCM解码设备，其特征在于，还包括压缩解码部，所述压缩解码部用于对压缩编码后的ADPCM信号进行解码并将解码后的 ADPCM信号输出至所述自适应逆量化部，其中，所述压缩编码后的ADPCM信号是通过对所输入的ADPCM信号进行压缩编码所获得的ADPCM信号。
12.根据权利要求10或11所述的ADPCM解码设备，其特征在于，还包括解帧部，所述解帧部用于对成帧的信号进行解帧，其中，所输入的ADPCM信号或所述压缩编码后的ADPCM信号是通过对预定时间段的所述ADPCM信号或所述压缩编码后的ADPCM 信号以及用于指定所述预定时间段的自适应量化特性的变化的信号进行成帧处理所获得的成帧的信号，其中，所述解帧部读出所述预定时间段的所述ADPCM信号或所述压缩编码后的ADPCM 信号，并且读出用于指定所述预定时间段的自适应量化特性的变化的信号。
全文摘要
提供了一种可以提高压缩率并且防止声音质量劣化的ADPCM编码设备和ADPCM解码设备。检测与声音信号的短周期变化和长周期变化相对应的信号，并且基于检测到的这两个信号的组合来改变自适应量化特性，由此进行适当的量化。在ADPCM编码设备(100)中，使用减法器(102)计算16位的输入信号(Xn)与一个样本之前的解码信号(Yn-1)之间的差分值(dn)。然后，使用自适应量化单元(103)进行自适应量化并且将16位的差分值(dn)转换成1～8位的可变长度的ADPCM值(Dn)。然后，使用压缩编码单元(108)对ADPCM值(Dn)进行压缩编码以生成信号(D’n)，然后利用成帧单元(130)对信号(D’n)进行成帧并且输出。在ADPCM解码设备中，通过进行前述处理的逆处理来对成帧的输入信号进行解码。
文档编号G10L19/00GK102265336SQ20098015296
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月25日 优先权日2008年12月26日
发明者佐藤宁, 龙敦子 申请人:国立大学法人九州工业大学