专利名称：比特流信号的数据处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个用于数据处理音频信号的数据处理装置，一个数据处理方法，一个包括数据处理装置的发射器，一个录音设备形式的发射器，一个录音载体，还涉及一个用于再次将输入信号转换为音频信号复制品的第二数据处理装置，涉及一个包括第二数据处理装置的接收器，涉及一个再生装置形式的接收器，涉及一个包含数据压缩残留比特流信号的发射信号。
数据处理音频信号在技术上广为人知，有关情况可以参考EP-A402,973，在相关文件目录的文件D1，该文件描述了一个副频带编码器，其中以一个诸如44.1kHz的特定频率对音频信号作A/D转换，最后的样值以诸如音频信号的24bits字长的形式送到一个副频带分离滤波器。该副频带滤波器将宽带数字音频信号分离为多个相对窄带的副频带信号。采用心理声学模型，可以得到一个屏蔽门限，然后量化副频带信号样值块，对副频带信号的每个块以每个样值特定比特数来量化，作为对上述屏蔽门限的响应，最后得到用来传输的被显著地压缩了的音频信号数据。所做的数据压缩是基于‘舍弃’音频信号中的听不见的部分的，因而这是一种丢失压缩方法。文件D1中描述的数据压缩是一种很智能化的数据压缩方法，在分别以硬件或软件来实现时，它需要一定数量的门或指令，所以相当昂贵。而且，后续展开装置在分别以硬件或软件来实现时，也需要一定数量的门或指令。
本发明把目标瞄准为处理音频信号提供一个相应的数据处理装置，使得该音频信号能够被一个无失真编码器以一个相对简单的方式作数据压缩。而且，本发明还将目标瞄准提供一个用来把处理了的比特流信号转换为音频信号的复制品的相应数据处理装置。
根据本发明的数据处理装置包括■ 用来接收音频信号的输入装置，■ 用来对音频信号执行转换，以获得一个1-bit比特流信号的转换装置，这个转换装置包括sigma-delta调制装置，■ 用来对信号执行一个预测步骤，以获得预测的比特流信号的预测装置，
■ 用来混合比特流信号和预测比特流信号，以获得残留比特流信号的信号混合装置(signal combination means)，■ 用来提供残留比特流信号的输出装置。
本发明是基于以下认识的，比特流信号占据了相当可观数量的容量，这样来描述这一点在当前的一个音频光盘的新标准的建议中，光盘要包括两个信道的转换了的音频信号比特流，采样率为64fs，这里fs＝44.1kHz。这相当于高出当前CD音频光盘4倍的速率。正如较早申请、尚未公开的专利申请No.96202807.2Z中讨论的那样，在本说明书的末尾可以发现相关文件目录中的文件D7中，已经有低复杂度的无失真编码算法，比如固定Huffman表编码，这可以减小其容量至一定范围以内。实验表明，采用更加完善、更加复杂的算法，比如Lempel-Ziv算法，可以得到更高的无失真压缩率。
主要在音频/话音编码中，众所周知线性预测是一个很有用的技术。通过在量化之前从话音/音频中去掉冗余，就可以显著地降低量化后信号的熵。预测器的输入端和输出端的信号，或者是浮点的，或者是多比特数代表。
在比特流信号的无失真编码中，特别是在解码端，算法的复杂度是很重要的因素。但是，通常无失真编码算法的性能和它的复杂度很相关。
根据本发明，在比特流信号上使用预测，该比特流信号也就是仅有两个不同的代表符号“0”或“1”的信号，这里有无失真压缩性能增加的有利因素，因为只有边缘附加的复杂度。
实验表明，第三阶预测才会在最后信号的统计中产生明显的影响。通过预测的方法，，作为先于数据压缩的预处理步骤，“1”-bit出现的可能性可以从50％降到大约20％。这样造成的结果是，根据本发明的装置的输出包括长的连“0”，这可以被简单的Huffman编码或扫描宽度(run-length)编码所使用。
音频信号可以采用模拟形式或数字形式。当作A/D转换时，根据本发明，1-bit A/D转换器(又称比特流转换器或sigma-delta调制器)的模拟音频信号，被A/D转换的音频信号以一个通常为44.1kHz或48kHz的倍数的频率被采样。1-bitA/D转换器的输出信号是一个二进制信号，称为比特流信号。当音频信号以数字形式输出，比如按44.1kHz采样，采样点以比如每个样值16bit来表示，这个数字音频信号被过度采样，其采样频率又是44.1kHz(或48kHz)采样率的倍数，这将产生1-bit比特流信号。
将音频信号转换为1-bit比特流信号有许多好处。比特流转换是一种高质量的编码方法，有可能会有高质量或低质量的解码，简单一些的解码器会带来更大的好处。在这方面可以参考出版物“A digitaldecimating filter for analog-to-digital conversion of hi-fiaudio signals”，由J.J.van der Kam所著，相关文件目录中的文件D2，和“A higher order topology for interpolative modulators foroversampling A/D converters for oversampling A/D converters”，由Kirk C.H.Chao等人所作，相关文件目录中的文件D3。
作为一个例子，1-bitD/A转换器在CD播放器中，用来将比特流音频信号逆变换为模拟音频信号，但是，在记录于光盘之前，记录在CD盘上的音频信号没有被数据压缩。
众所周知，在这个技术中，1-bit A/D转换器的最后比特流信号，粗略地可以说是具有“类噪声”频谱的随机信号，这类信号很难被数据压缩。
但是，令人惊奇的是，在数据压缩之前，建立起一个使用预测的步骤，比如采用无失真编码，不管来自1-A/D转换器的比特流信号是什么样的噪声特性，就可以获得很大的数据压缩。
本发明的这些或其它方面的情形将通过参照描述于以下附图所描述的实施例的更进一步的说明而变得清晰起来，其中
图1显示了一个数据处理装置的实施例，图2显示了用于图1的装置中的预测单元的一个实施例的一部分，图3显示了并入数据处理装置的预测单元和信号混合单元的一个图1显示了根据本发明的数据处理装置的一个实施例，它包括一个用来接收音频信号的输入端。在本例中，音频信号是模拟音频信号，输入端1连接到1-bit A/D转换器4的输入端2，该转换器又称sigma-delta调制器。1-bit A/D转换器4的输出端6接到预测单元10的输入端8，同样也接到信号混合单元42的第一输入端40。预测单元10的输出端12接到信号混合单元42的第二输入端44，混合单元42的输出端48接到输出终端14。
1-bit A/D转换器适合于对音频信号做1-bit A/D转换，以获得送到输出端6的比特流信号，为了这个目的，A/D转换器4通过输入端16接收等于N.fs的采样频率，fs是等于诸如32kHz、44.1kHz或48kHz的频率，N是一个诸如64的较大的整数。音频信号在A/D转换器4中被采样，所用的采样率是，比如2.8224MHz(64x44.1kHz)，这样，A/D转换器的输出端6的比特流信号的比特率为2.8224MHz。
预测装置10适合于对加在它的输入端8的比特流信号做预测步骤，以在其输出端12获得预测的比特流数据。信号混合装置42适合于混合加于其输入端40的比特流信号和加于其输入端44的预测比特流信号，以获得送到其输出端14的残留比特流信号。
对于5kHz正弦波形式的输入信号，采样频率为2.8224MHz，图17a显示了出现在A/D转换器4的输出端6的比特流信号的频谱，所以频谱显示了0至1.4MHz之间的频率。图17b显示了图17a的一部分频谱，即0至100kHz之间的部分，以便于更清楚地看到包含于比特流信号中的5kHz正弦信号。可以清楚地看到比特流信号的类似于噪声的特性，特别是在较高频率范围，这似乎意味着，对上述信号做预测步骤，以及对比特流信号的预测版本和比特流信号的后续信号混合，以获得上述残留信号，不会带来残留信号的熵的显著减少，这个残留信号的熵的减少是相对于作为预测单元普通目标的预测单元的输入信号而言的。
与此相反，研究清楚地表明，不管比特流信号的类噪声特性如何，通过执行预测步骤，都可以使残留比特流信号的熵显著地减少。
预测单元10可以有任何形式，可以包括一个FIR滤波器或一个IIR滤波器，其滤波器系数是这样被选择(或得到)的，预测单元10的输出信号是比特流信号的预测版本。
预测单元10的另一个实施例将参考图2和图3作更进一步的解释。图2显示了预测单元10的一部分，它包括一个3bit移位寄存器20，该寄存器的输入端与预测单元10的输入端8相连。在对移位寄存器20执行3个时钟脉冲(图中未画出)的基础上，加在输入端8的比特流信号的3个连续比特x1、x2、x3就被移位进入移位寄存器20。图中有一个探测器22，它的输入端连接到预测单元10的输入端8。该探测器判定比特流信号中紧跟在3个连续比特信号x1、x2、x3之后的下一个比特x4的比特。而且，图中还有一个计数器26，它计算紧接着一个3个特定比特比特序列x1、x2、x3之后的“0”比特出现的次数以及同样的特定3比特比特序列之后的“1”比特出现的次数，对3-bit比特序列x1、x2、x3的8种可能情况都要这么做。
用另一种方式来解释。假设有3比特序列“100”存于移位寄存器20中，探测器24探测到下一个比特x4是“0”，这样，在列28中数目N4，0就增加1。下一个时钟脉冲加到移位寄存器20的时候，存于移位寄存器20的3-bit码字就是“000”，假设下一个比特x4现在等于“1”，这样，在列30中的数目NO，1就增加1。
在比特流信号的一个相对大的范围内继续这样的过程。当比特流信号的这部分以这种方式被处理之后，列28和列29被数目Ni，0和Ni，1填满，分别表示作为紧接着列32中给出的第i个3比特序列的下一个比特的“0”比特和“1”比特出现的数目，其中i在本例中从0变到7。
下一步，预测的x4’的二进制值列32中的每个3比特序列x1、x2、x3将从对应的列28和30中的数目计算而得，方法是，将列32中第i个比特序列的最大计数数目Ni，0和Ni，1对应的二进制值(“0”或“1”)当作x4’的值。例如，如果N4，0等于78，而N4，1等于532，那么，与出现3-bit比特序列“100”相对应的预测比特x4’则被选择等于“1”。这样就可以通过比较列32和34而得到转换表，使得对于存于移位寄存器20的8种可能的3-bit序列的每一种情形，都可以产生相应的预测比特值x4’。对于一个3比特比特流i，得到相同的计数值Ni，0和Ni，1，在这种情形下，可以从两个二进制值“0”或“1”中随机地选择一个作为预测值。
应当在这里指出，对每个3-bit比特混合，要用两个计数器来计算在所述3-bit比特混合之后的“0”和“1”的数目。除此而外，可以只使用一个计数器，它能在3-bit比特混合之后出现一个“0”比特时向上计数，而在3-bit比特混合之后出现一个“1”比特时向下计数，如果在测试过程最后的计数值高于测试过程开始时的值，那么预测比特就可以选作“0”，如果在测试过程终止的计数值低于测试过程开始时的值，那么预测比特就可以选作“1”。
如果要处理的信号基本上是时不变的，那么就可能出现这样的情况，根据从比特流信号的下一部分得到的转换表，将会得到同样的预测值x4’。在这种情形时，一次就能够得到转换表。对于那些有变动特性的比特流信号来讲，就需要每次都从比特流信号的一个序列部分得到转换表，并用各自所得的转换表来预测比特流的那部分。
图3显示了和信号混合单元42一起的预测单元10的更详细的版本。预测单元10的输入端8连接到信号混合单元42的第一输入端40，转换装置26’包括由上述参考图2解释的方法所得到的转换表，该装置的输出端46连接到信号混合单元42的第二输入端44，混合单元44的输出端48连接到数据处理装置的输出端14。信号混合单元42也可能是EXOR的形式，但混合单元42可以是不同的结构，比如EXNOR。
作为对存于移位寄存器20的3-bit比特序列的响应，转换单元26’在其输出端46输出比特x4’，这个x4’是出现在移位寄存器20和混合单元的输入端的比特x4的预测值。混合单元42混合比特x4和x4’以获得残留比特。在紧接着来的一个时钟信号(图中未画出)时，出现在移位寄存器20的输入端的比特x4就被移进移位寄存器20，这样，一个新的3-bit比特序列就存入了移位寄存器20。作为对存入移位寄存器20的新的3-bit比特序列的响应，转换单元26’产生一个新的预测比特x4’，信号混合单元42就混合这个新的预测比特x4’和现在出现在输入端40的新的比特x4，以获得新的残留信号。以这种方法，就可以获得残留比特流信号。
假设混合单元42是EXOR，那么残留信号就有如下特性。假设比特x4和x4’是一样的，就是说，或者为’0’，或者为’1’，由EXOR提供的残留比特是’0’。现在假设比特x4和x4’彼此不相同，其结果，由EXOR42产生的残留比特是’1’比特，残留信号中’1’比特的出现就是加在混合单元42输入端44的预测比特流信号和加在输入端40的比特流信号之间的误差的测度。
图4显示了包括图1所示数据处理装置的记录装置的一个实施例，该数据处理装置可能包括图3所示的预测单元。这个记录装置更进一步包括一个用来将残留比特流信号数据压缩为数据压缩比特流信号的数据压缩单元150，以及一个用来将数据压缩残留比特流信号写到记录载体52的轨迹上的写单元50。在此例中，记录载体52是磁记录载体，这样写单元50至少包括一个用来将残留比特流信号写到记录载体52上的磁头54。但记录载体也可能是光学记录载体，如CD光盘或DVD光盘。
图5显示了用来通过传输媒介TRM发送音频信号的发射器的一个实施例，它包括图1所示的数据处理装置，该数据处理装置可能包括图3所示的预测单元。这个发射器又包括数据压缩单元150，还更进一步包括用来将数据压缩残留比特流信号发送到传输媒介TRM的发送单元60。发送单元60可能包括一个天线62。
通过诸如无线电频率链路或记录载体的传输，通常需要在要传送的数据压缩残留信号上实施纠错编码和信道编码，图6显示了在用于图4的记录装置的数据压缩信号上实施的这样的信号处理步骤。因此，图6的记录装置包括一个纠错编码器56，这在本技术领域中是公知的，和一个信道编码器58，这在本技术中也是公知的。
上面已提到，在一些应用中，使用固定的转换表来处理比特流信号就足够了。对于将残留比特流信号逆变换为原始比特流信号的复制品，也只要一个固定的转换表就足够了。在一个应用中，对比特流信号的后续部分，每次都需要确定一个相应的转换表来产生残留比特流信号，在这种应用中，对于一将残留比特流信号逆变换为原始比特流信号的复制品，对相应的这些部分，就将需要使用同样的转换表。在这样的情形中，就需要与残留信号一起传送代表用于不同后续部分的转换表的附加信息(side band)，使得能够在接收中做逆变换。
作为一个更进一步的例子，如果在图1的处理装置中仅使用两个转换表就足够了的话，这样的附加信息就可以简单地是一个选择信号，选择两个转换表中的一个，相应的逆变换装置也可以包括两个转换表，选择信号可以被用来选择两个转换表中的一个，用来将残留比特流信号逆变换为原始比特流信号的复制品。
但是，应当指出，当得到了对应比特流信号的一部分的转换表的时候，就不是绝对地需要将相应于这个转换表的附加信息传送到逆变换装置，该逆变换装置可以自动产生转换表。逆变换装置的预测单元在开始时的预测精度会是很低的，但它会自动“学习”以获得预测转换表，该转换表将会与用于发送装置的转换表基本上相同。
图7显示了根据本发明的第二数据处理装置的一个示意性的实施例，它能将残留比特流信号转换为原始比特流信号的复制品。该装置有一个用于接收残留比特流信号的输入终端70，该信号由图1中的数据处理装置提供。输入终端70连接到信号混合单元88的第一输入端86，该混合单元的输出端76连接到预测单元74的输入端72，同时连接到一个1-bit D/A转换器80的输入端78，预测单元74的输出端98连接到信号混合单元88的第二输入端101，D/A转换器80的输出端82连接到输出终端84。
图7的装置通过其输入端70接收残留比特流，该残留信号提供给信号混合单元88的输入端86。信号混合单元88将经其输入端86所接收的残留比特流信号与经其输入端101所接收的预测比特流信号相混合，以获得逆变换了的比特流信号，并将逆变换了的比特流信号送到其输出端76。预测单元74对逆变换了的比特流信号执行预测步骤，以在其输出端98获得上述预测比特流信号。D/A转换单元80对逆变换了的比特流信号作D/A转换，以获得原始音频信号的复制品，该信号又被送到输出终端84。
预测单元74可以有任何形式，可以包括FIR或IIR滤波器，滤波器的系数是被这样选择(或得到)，使得预测单元74的输出信号是比特流信号的预测版本。
预测单元74的另一个实施例将参考图8作更进一步的解释。预测单元74的输入端72连接到3比特移位寄存器94的输入端92，移位寄存器94中的3个比特位置的3个输出连接到转换单元96的相应输入端，转换单元96包括在上面参考图2和图3进行讨论和解释的转换表。转换单元96的输出端98连接到信号混合单元88的第二输入端101，信号混合单元88可以是EXOR的形式，但它还可能是其它的结构，比如EXNOR。下面将会看到，如果图3的信号混合单元42是EXOR，那么图8的信号混合单元就必须同样是EXOR，以便于再产生原始比特流信号的复制品。
作为对存于移位寄存器94中的3-bit比特序列x1、x2、x3的响应，转换单元96在其输出端98以在上面参考图2和图3作了解释的方法输出比特x4’，该比特x4’是比特x4的预测，比特x4将在下一个时钟到来时由混合单元88提供，并作为新的x3存于移位寄存器94的最右端的存储位置。出现在混合单元88的输入端86的残留比特与预测比特x4’混合，以获得原始比特流信号中的原始比特x4的复制品。当残留比特是“0”时，这意味着图1和图3的装置作了正确的预测，残留比特与预测比特x4’的混合就使得比特x4’的比特值出现在混合单元88的输出端90。当残留比特是“1”时，这意味着图1和图3的装置作了错误的预测，残留比特与预测比特x4’的混合就使得比特x4’的取反比特值出现在混合单元88的输出端90，两种情形下，都可以使比特x4的正确的复制品出现在混合单元88的输出端76。
在后续时钟信号(图中未画出)时，出现在移位寄存器94输入端的比特x4就被移入寄存器，使得一个新的3-bit比特序列被存入移位寄存器94。相应于存于移位寄存器94的新的3-bit比特序列，转换单元96产生一个新的预测比特x4’，信号混合单元88混合新的预测比特x4’和加在输入端86的残留比特信号中的下一个残留比特。这样获得比特流信号中下一个比特x4的复制品。
图9显示了结合到一个再生装置的图7的数据处理装置。该再生装置还进一步包括用来数据展开数据压缩残留比特流信号以获得原始残留比特流信号的复制品的数据展开单元162，以及用来从记录载体52的轨迹中读取数据压缩残留比特流信号的读取单元100，在本例中，记录载体52是磁记录载体，所以读取单元100包括至少一个用来从记录载体52读取数据压缩残留比特流信号的磁头102。但记录载体可以是光学记录载体，比如CD光盘或DVD光盘。
图10显示了一个用来通过传输媒介TRM接收音频信号的接收器的实施例，它包括图7所示的数据处理装置，该接收器更进一步包括数据展开单元162和用来从传输媒介TRM接收数据压缩比特流信号的接收单元105，接收单元105可能还包括一个天线107。
如上面所解释的那样，通过诸如无线电频率链路或记录载体等传输媒介的发送一般都需要对将要发送的数据压缩残留信号做纠错编码和信道编码，因而在接收时就要做相应的信道解码和纠错解码。图11显示了对接收信号所做的信道解码和纠错解码的信号处理步骤，该接收信号由图9中的再生装置的读取装置100接收。因而图11的再生装置就包括一个信道解码器110，这在本项技术中是众所周知的，还包括一个纠错解码装置112，这在本技术领域中也是公知的，这样就可以获得数据压缩残留比特流信号的复制品。
上面还提到，在一些应用中，在图1和图3的装置中使用一个固定转换表来处理比特流信号就足够了，在将残留比特流信号转换为原始比特流信号的复制品时，使用固定的转换表也就足够了，这样就不需要传送附加信息到图7和图8所示的处理装置。在一种应用中，对比特流信号的后续部分来讲，每次都需要在图1和图3的装置中确定一个相应的转换表，用来产生残留比特流信号，在图7和8的装置中，在将残留比特流信号逆变换为原始比特流信号的复制品的时候，就要求对这些部分使用同样的转换表，在此情形中，就要求与残留信号一起发送代表用于不同后续部分的转换表的附加信息，以使得接收时能作逆变换。作为一个例子，例如在图1和3的装置被提供给记录装置，以及图7和8的装置被结合到图9和11的再生装置的应用中，这个附加信息就需要被记录在记录载体上，在再生时从上述记录载体中被再生出来。
如果出现在图1的处理装置中仅用两个转换表就足够的情况，这个旁信号可以简单地是一个选择信号，用以选择两个转换表中的一个。相应的逆变换装置可包括同样的两个转换表，该选择信号可以用来选择两个转换表中的一个，以将残留比特流信号逆变换为原始比特流信号的复制品。
上面描述的实施例是基于对比特流信号中紧接着三个连续比特(x1，x2，x3)的一个比特的预测(x4’)的。通常，预测单元可以根据比特流信号中n个连续比特预测m个预测比特，这m个预测比特是比特流信号中紧接着上述n个连续比特之后的比特流信号中m个连续比特的预测版本，这里n和m是大于零的整数。
图12显示了如何得到转换表的例子，该转换表能根据比特流信号中连续比特x1、x2、x3、x4的序列预测出一个或两个预测比特。图12显示了另一个预测单元10’的一部分，该预测单元包括一个4比特移位寄存器20’，该寄存器具有一个连接到预测单元10’的输入端8的输入端，在作用于移位寄存器20’的4个时钟脉冲(图中未画出)的作用下，加在输入端8的比特流信号中的4个连续比特x1、x2、x3、x4被移入移位寄存器20’。图中有一个探测器22’，它的输入端24连接到预测单元10’的输入端8，探测器22’检测比特流信号中紧接着4个连续比特x1、x2、x3、x4的下两个比特x5、x6的比特值。而且，图中还有计数器26”，它统计比特流信号中紧接着一个特定4比特比特序列x1、x2、x3、x4之后，“0”比特出现的次数；紧接着同一个特定4比特比特序列x1、x2、x3、x4之后，“1”比特出现的次数；紧接着同一个特定4比特比特序列x1、x2、x3、x4之后，2比特比特序列“00”比特出现的次数；紧接着同一个特定4比特比特序列x1、x2、x3、x4之后，2比特比特序列“01”比特出现的次数；紧接着同一个特定4比特比特序列x1、x2、x3、x4之后，2比特比特序列“10”比特出现的次数；以及紧接着同一个特定4比特比特序列x1、x2、x3、x4之后，2比特比特序列“11”比特出现的次数。应当在此指出，2-bit比特组合“b1，b2”将被描述成这样，第一个比特b1是x5，第而个比特b2是x6。
假设探测器已检测到2个比特x5、x6等于“01”，这样，计数器26”将位于列28’中的计数值Ni，0及位于列30’的计数值Ni，1增加1，这里，I从0变到15，对应于图12中的表的列32’中给定的第I个4比特比特序列。
下一步，在作用于图12的装置的一定数目的P时钟脉冲的作用下，这里的P不一定等于2，但可能更大一些，比特流信号的另一个4-bit比特序列就被存入移位寄存器20’。探测器22’探测比特流信号中紧接着上述4-bit比特序列的下面两个比特x5、x6的比特值，假设这后续两个比特为“11”，那么，计数器26”就将位于列29中的记数值Ni，1及位于列31中的记数值Ni，5增加1，这里I相应于存于移位寄存器20’中的4比特比特序列，这个比特序列被假设为图12中的表的列32给定的第i个4比特比特序列。
多次重复这个过程，使得对所有16种可能的4-bit序列x1、x2、x3、x4，都已得到计数值Ni，0至NI，5。计数值Ni，0至NI，5表示紧接在列32’给出的第I个4-bit序列之后，1比特和2比特序列出现的次数。
下一步，对于列32中的每个4-bit序列x1、x2、x3、x4基于列28’、29、…至31中的计数值，得到预测二进制值x5’以及预测2比特二进制序列x5’x6’。
假设列32’中的第I个4比特比特序列的6个计数值Ni，0至NI，5的计数值Ni，0或Ni，1基本上都大于其它值，在此情形中，可以选择“0”比特或“1”比特，分别作为x5’的预测比特。假设Ni，0和Ni，2差别不大并大于其它四个计数值，在此情形中，可以选择比特组合“00”作为第I个比特序列的预测比特值x5’、x6’。通过这种方法，所的得到的转换表就包括列33，列33不仅包括作为用于预测比特流中紧接着特定的4-bit比特序列的一个比特的预测比特的单个比特值，而且包括作为用于预测比特流中紧接着另一个特定的4-bit比特序列的2-bit字的2-bit预测字的2-bit二进制字。
图13示意地显示了用于数据处理音频信号的数据处理装置的另一个实施例，该数据处理装置包括转换表形式的转换单元130，比如参考图12的解释的转换表，这意味着转换表包括图12中所给定的列32’和33，使得在接收如列32’给出的一个特定4-bit的比特序列x1、x2、x3、x4的基础上，在转换单元130的输出端131产生一个特定预测比特x5或两个特定预测比特x5、x6。
图13的装置的功能如下。作为对存于移位寄存器20’中的一个特定4-bit比特序列的响应，转换单元130产生比如一个比特字，等于“1”。这是当一个4-bit序列“0000”存于寄存器20’时的情形，列33显示对这样的4-bit序列，见图12表中的列32’，预测“1”比特，见图12表中的列33。预测比特x5’送到混合单元42的输入端44，其中预测比特x5’与出现在输入端40的比特流中的实际比特x5相混合。下一步，在一个由中心处理单元132产生的时钟脉冲的作用下，移位寄存器20’中的信息左移一位，使得现在比特x5存于移位寄存器20’的最右存储位置，假设该比特确实是“1”，和预测的一样。
下一步，转换单元将存于移位寄存器20’的4-bit序列“0001”转换为2-bit字“01”，参看图12的表中的列32’和33，其中2-bit字送到输出端131。现在，中央处理器单元132产生两个时钟脉冲，使得2-bit预测值可以在混合单元42中与比特流信号中的实际比特x5、x6混合。两个时钟脉冲还导致移位寄存器20’中左移两位，使得有值“0”和“1”存于移位寄存器20’中，由x1和x2来指示，上面提到的实际比特x5和x6现在作为新的比特x3和x4存于移位寄存器20’中。这样，在预测一个比特的基础上，中央处理器132产生一个时钟脉冲，然后执行一个后续的预测步骤，而在预测一个2-bit字的基础上，中央处理器132在执行后续预测步骤之前，产生两个时钟脉冲。
假设，对比特流信号的后续部分来讲，首先，例如通过上面参照图12所解释的方法，得到一个相应的转换表，希望与残留比特流信号一起发送这个转换表，使得在接收残留比特流信号时能做逆变换。图13显示了预测单元26与中央处理单元132之间的连接135，通过这个连接，通过参照图12描述的方法而得到的转换表就可以提供给中央处理器132，然后将其送到输出端137通过传输媒介与残留比特流一起传输。
图14显示了用来转换由图13的装置提供的残留比特流信号的相应装置。在信号混合单元88和D/A转换器80分别与图7中的信号混合单元和D/A转换器是一样的情况下，图14的装置显示出与图7和8的装置有很大程度的相似。预测单元74’的输入端72连接到4比特移位寄存器的输入端92，移位寄存器94’的4比特位置的4个输出端连接到转换单元96’相应的输入端，转换单元96’包括上面参照图12讨论和解释的转换表，转换单元96’的一个输出98接到信号混合单元88的第二输入端101。
作为对存于移位寄存器94’的4-bit比特序列x1、x2、x3、x4的响应，通过上面参照图12解释的方法，转换单元96’或者在其输出端98输出1-bit x5’，或者输出2-bit字x5’、x6’，该比特x5’是转换表96’所给出的比特x5的预测值，比特x5将在下一个脉冲的作用下由混合单元88提供，并作为新的比特x4存于移位寄存器94’的最右端的存储位。在由中央处理单元140产生的时钟脉冲的作用下，出现在混合单元88的输入端86的残留信号与预测比特x5’相混合，从而获得原始比特流信号中的原始比特x5的复制品。当残留比特是“0”时，这意味着在图13的装置中执行了正确的预测，残留比特与预测比特x5’的混合，结果是出现在混合单元88的输出端90的比特x5’的右端为比特x5。当残留比特是“1”时，这意味着在图13的装置中执行了不正确的预测，残留比特与预测比特x5’的混合，结果是出现在混合单元88的输出端90的比特x5’的取反值作为比特x5。两种情形中，比特x5的正确的复制品都会出现在混合单元88的输出端76处。
2-bit预测x5’、x6’是由转换表96’产生的2-bit字x5、x6的预测值，将在由中央处理单元140产生的下两个时钟脉冲的作用下，由混合单元输出并被当作新的2-bit字x3、x4存于移位寄存器94’的两个最右的存储位。出现在混合单元88的输入端86的两个残留比特与预测的2-bit字x5’、x6’混合，以获得原始比特流信号中的原始2-bit字x5、x6的复制品。当两个残留比特是’0，0’时，这意味着在图13的装置中执行了正确的预测，残留比特与预测比特x5’、x6’的混合，结果是出现在混合单元88的输出端90的比特x5’、x6’的右端作为比特x5、x6。当残留比特是’1，1’时，这意味着在图13的装置中对比特x5和比特x6都执行了不正确的预测，残留比特与预测比特x5’，x6’的混合，结果是出现在混合单元88的输出端90的比特x5’、x6’的比特的取反右端作为比特x5、x6。当两个残留比特中一个为“1”而另一个为“0”时，这意味着预测比特中的一个是错的，应当取反以获得两个正确的比特x5、x6。在所有情形中，2-bit字x5，x6的正确复制品都会出现在混合单元88的输出端76。
在这样的情形时，对比特流的后续部分，在图13的装置中，首先例如通过上面参照图12解释的方法得到相应的转换表，希望与残留比特流一起发送转换表，使得在图14的装置中接收残留比特流信号时能作逆变换，因而图14显示出一个用于接收转换表的输入终端142。输入终端142连接到中央处理单元140，它与预测单元96’有一个连接144，通过这个连接，转换表可以接到预测单元96’。
前面讲过，在发送之前对残留比特流信号作数据压缩步骤。优选地，采用无失真编码器来作数据压缩，无失真编码器有这样的优点，它们能以这样的方法来数据压缩语音信号，使得在由无失真解码器作数据扩展之后，原始语音信号可以以基本无失真的方式重建。这意味着压缩——扩展之后，基本上没有信息丢失。无失真编码器可以是可变长度编码器。可变长度编码器在本项技术领域是公知的，这种可变长度编码器的例子有Huffman编码器、算术编码器和Lempel-Ziv编码器，这方面可以参考出版物“A method for the construction of minimum-redundancycodes”D.A.Huffman所著，相关文件目录中的文件D4，“An introductionto arithmetic coding”G.G.Langdon所著，相关文件目录中的文件D5，以及“A universal algorithm for sequential data compression”J.Ziv等人著，相关文件目录中的文件D6。
图15显示了一个实施例，其中图1的装置紧接着一个数据压缩单元150，比如一个无失真编码器。数据压缩残留比特流信号由一个光学记录单元154的装置记录到一个光学记录载体156上。
图16显示了来自光学记录载体156的相应再生，图16中显示的装置包括一个数据扩展单元162，比如一个无失真解码器，它对数据压缩残留比特流信号执行数据扩展步骤，再生的残留比特流信号提供给图7的装置的输入端70。
图1的实施例的更进一步的修改如下。在此修改中，预测单元10连接在信号混合单元42的输出端和信号混合单元42的输入端44之间。在此修改中，比特流信号的预测版本由预测单元从由信号混合单元42提供的残留信号中得到。该修改示于图18，事实上，它与示于图7中的预测单元和信号混合单元的电路结构是一样的。
以相同的方式，图7的实施例的更进一步的修改如下。在这个修改中，预测单元74连接在信号混合单元88的输入终端70和输入端101之间。在这个修改中，比特流信号的预测版本由预测单元从经终端70提供给处理装置的残留信号中得到。这个修改事实上与示于图1中的预测单元和信号混合单元的电路结构是一样的。
通过预测单元，比如图1中的预测单元10，的一个特定实施例，可以得到数据处理装置的更进一步的改进。在这个特定实施例中，给预测单元10提供一个积分器，用来对输入信号积分，该输入信号代表比特流信号，在输入信号具有代表比特流信号中的“0”和“1”比特意义上的-1和+1代表值，。积分器简单地累加所有的代表值，使得它的瞬时输出是它已接收的所有-1和+1的累加总和。事实上，预测单元所做的是，为将要送到输出端12的比特流信号产生一个伪音频信号和预测比特，该比特流信号将由这个伪音频信号以下面方式来得到。
预测器从由积分器产生的伪音频信号的最后n个样值产生伪音频信号的下一个样点的预测值，下一步，所产生的伪音频信号的最后的样点值与下一个样点的预测值相比较。如果沿幅度轴来看，伪音频信号的上一个样点值稍小于下一个样点的预测值，可以得出结论，预测比特流信号中的下一个预测比特对应于+1值(或逻辑“1”)，当伪音频信号的上一个样点值大于下一个样点的预测值，可以得出结论，预测比特流信号中的下一个预测比特对应于-1值(或逻辑“0”)。这些预测的比特作为预测比特流信号送到预测单元10的输出端。
下一个样点的预测值可以通过用直线近似最后n个(n例如等于40)伪音频信号样点来获得。下面将会看到，更复杂的近似过程(滤波技术)同样可能用来预测下一个样点值。在这种情形中，如上所述，这样的滤波器的滤波器系数应当对于基于帧的信号进行推导并被传送，使得在接收端能作相应的解码。
另一个数据处理装置示于图19中。在图19中的数据处理装置中，比特流数据送到信号混合单元42的输入端44，并通过一个预测滤波器10’和一个量化器Q，送到信号混合单元42的输入端40。这个装置更进一步提供一个包括一个熵编码器154和一个概率判定单元156的数据压缩单元150’，在本例中，熵编码器154是算术编码器的形式，用来响应送到它的输入端192的概率值p，将残留比特信号编码为数据压缩残留比特流信号。该概率判定单元156确定一个概率值，该概率表明在由混合单元42提供的残留比特流中的一个比特有一个诸如“1”的预测逻辑值，这个概率值在图19中记为p，送到算术编码器154，使得在算术编码器154中能对残留比特流信号作数据压缩。判定单元156从预测滤波器10’的输出信号中确定这个概率值。这不同于所预想的，当在数据压缩单元150中，比如图4或15，使用一个算术编码器以压缩残留比特流信号。当在压缩单元150中使用一个算术编码器时，概率单元156就从残留比特流信号自身推导出概率值。但在图19的实施例中，概率判定单元156从预测滤波器10’产生的输出信号中推导出概率值，这有一个好处，用算术编码器154可以得到更高的压缩率，算术编码器154可以数据压缩基于帧的压缩残留比特流信号。
图19的装置的功能如下。预测滤波器10’对比特流信号实现预测滤波，以获得一个多比特输出信号。这个多比特输出信号有在例如+3和-3范围之间的多个电平。量化器Q接收多比特输出信号，然后由此产生一个比特流信号，例如若多比特输出信号有正值，分配“1”比特逻辑值，若多比特输出信号有负值，分配“0”比特逻辑值。此外，对多比特输出信号取值范围内的多个子区间中的每一个，确定残留信号中对应比特为比如“1”比特的概率是多少。当多比特输出信号落入这样的范围中的一个时，这可以通过计算在一个特定时段的残留比特流信号中的“1”和“0”的数量来实现。对多比特输出信号中的不同值以这样的方式获得的概率，随后作为概率信号p送到算术编码器154，数据压缩残留比特流信号由算术编码器154送到输出线158，用以通过传输媒介TRM传输。
图20显示了一个用于对通过传输媒介TRM接收的数据压缩残留比特流信号解码的相应数据处理装置。图20的数据处理装置包括一个熵解码器(entropy decoder)172，该熵解码器通过一个输入端174接收数据压缩残留比特流信号。在本例中，熵解码器172是一个算术解码器的形式，它在送到输入端176的概率信号p的影响下，对数据压缩残留比特流信号执行算术解码步骤，以产生送到输出端178的原始残留比特流信号的复制品。该复制品送到信号混合单元88的输入端86。此外，信号混合单元88还通过输入端101接收比特流信号的预测版本，并在其输出端76产生原始比特流信号的复制品。输出端76经过预测滤波器74’和量化器Q连接到信号混合器88的输入端101，预测滤波器74’和量化器Q的功能可以与图19的预测滤波器10’和量化器Q一样，即预测滤波器74’从它通过其输入端72接收的输入信号得出它的滤波器系数。在另一个实施例中，预测滤波器74’从经过传输媒介TRM接收的、来自图19的编码器装置的附加信息得到滤波器系数，将在下面作解释。
更进一步，有一个概率提供单元180，它提供概率信号p给算术解码器172。可以通过不同方法获得概率信号p。一种方法是，从预测滤波器74’的输出信号得到概率信号p，然后以与概率判定单元156同样的判定方法判定来自图19中预测滤波器10’的概率信号p，在此情形中，图20中的供给单元180可以与图19中的判定单元156一样，供给单元180有一个连接到预测滤波器74’输出端的输入端。另一个产生概率信号p的方法是，通过使用经传输媒介TRM接收的附加信息，下面将做解释。
附加信息可以通过用于到图20所示装置的传输的图19所示装置来产生，这样的附加信息可以包括在帧上基于帧确定的滤波器10’的滤波器系数，该系数被传送给滤波器74’以设定其正确的滤波器特性。此外，图19的装置可以产生描述预测滤波器10’的多比特输出信号到概率信号p的转换的参数，这种参数也包括在附加信息中，并传送到供给单元180，使得能在图20的装置中再生概率信号p。
在上面描述的图19和图20的实施例中，解释了概率信号p是如何分别由预测滤波器10’和74’的多比特输出信号得到的。然而应当注意到算术编码器的运用也可能用于以不同的方法推导预测信号的数据处理装置之中，这方面可参考示于图1中的实施例，其中的预测单元10是示于图2或12的形式。现在需要另外一种推导概率信号p的方法，以后将会清楚地看到，在示于图2和图12的预测单元的实施例中，概率信号p可以由分别在预测器22和22’中所得出的计数推导出。
用于图19的实施例的熵编码器适应于采用概率信号来对残留比特流信号编码，以获得数据压缩残留比特流信号。一种这样的熵编码器是上面描述的算术编码器，这样的熵编码器的另一种形式是，例如，公知的有限状态编码器(finite state coder)。用于图20的实施例的熵解码器适应于采用概率信号来对数据压缩残留比特流信号进行解码，以获得残留比特流信号的复制品，一种这样的熵解码器是上面描述的算术解码器。这样的熵解码器的另一种形式是，例如，公知的有限状态解码器。
在参考有关的优选实施例描述这项发明的同时，要认识到这些不是限定性的例子，因此，如权利要求限定的那样，不离开本发明的范围的各种各样的修改对本技术领域的技术人员来讲是显而易见的。当以数字形式提供音频信号时，比如以44.1kHz采样，样值以例如16比特描述，A/D转换器装置适应于对数字音频信号过采样，采样率为，例如64x44.1kHz，以获得送到预测单元10的1-bit比特流信号。
更进一步，当考虑诸如示于并描述于图12的转换表时，可作如下结论。在推导转换表的阶段，可能会出现，例如计数值是这样的，使得比特序列0，0，0，0和0，0，1，0产生同样的预测比特，比特序列0，0，0，1和0，0，1，1产生同样的预测比特，比特序列0，1，0，0和0，1，1，0产生同样的预测比特，比特序列1，0，0，0和1，0，1，0产生同样的预测比特，比特序列1，1，0，0和1，1，1，0产生同样的预测比特，比特序列1，0，0，1和1，0，1，1产生同样的预测比特，比特序列1，1，0，1和1，1，1，1产生同样的预测比特，比特序列0，1，0，1和0，1，1，1产生同样的预测比特，在此情形中，比特x3事实上是不被考虑的比特，预测比特x4或x4、x5可以仅从比特组合x1、x2、x4预测得到。
更进一步，本发明在于每个新颖性特征或特征的组合。
相关文件目录(D1)EP-A 402,903(PHN 13.241)(D2)‘A digital decimating filter for analog-to-digitalconversion of hi-fi audio signals’，by J.J.van der Kam in PhilipsTechn.Rev.42.no.6/7，April 1986，pp.230-8(D3)‘A higher order topology for interpolative modulatorsfor oversampling A/D converters’，by Kirk C.H.Chao et al in IEEETrans.on Circirt and Systems，Vol 37，no.3，March 1990，pp.309-18(D4)‘A method for the construct ion of minimum-redundancycodes’，by D.A.Huffman in Proc.of the IRE，Vol.40(10).September1952(D5)‘An introduction to arithmetic coding’byG.G.Langdon，IBM J.Res.Develop.，Vol.28(2)，March 1984(D6)‘A universal algorithm for sequential datacompression’by J.Ziv et al，IEEE Trans.onInform.Theory，Vol.IT-23，1977.
(D7)EP patent application no.96202807.2，filing date10-10-96(PHN 16.029)
权利要求
1.用于数据处理比特流信号的数据处理装置，该数据处理装置包括-用来接收1-bit比特流信号的输入装置，-用来对信号执行预测步骤以获得预测的比特流信号的预测装置，-用来混合比特流信号以及预测的比特流信号以获得残留比特流信号的信号混合装置，-用来数据压缩残留比特流信号的数据压缩装置，该数据压缩装置是以熵编码器的形式，响应一个概率信号，对残留比特流信号作熵编码，以获得数据压缩残留比特流信号，该设备更进一步包括用来从上述预测装置判定上述概率信号的概率信号判定装置，-用来提供数据压缩残留比特流信号的输出装置。
2.如权利要求1所要求的数据处理设备，其中该预测装置包括对其输入端的比特流信号执行预测滤波器操作以获得多值输出信号的预测滤波器装置，预测装置还包括量化装置，该量化装置用来对多值输出信号执行量化步骤以获得预测比特流信号，其中概率判断装置适应于从上述多值输出信号推导出上述概率信号。
3.用来数据处理比特流信号的数据处理方法，该数据处理方法包括如下步骤-接收1-bit比特流信号，-对信号执行预测步骤以获得预测的比特流信号，-混合比特流信号与预测的比特流信号以获得残留比特流信号，-响应概率信号通过对残留比特流信号作熵编码来数据压缩残留比特流信号，以获得数据压缩残留比特流信号，数据压缩步骤更进一步包括确定上述概率信号的子步骤，-输出数据压缩残留比特流信号。
4.如权利要求3所要求的数据处理方法，其中所述预测步骤包括对比特流信号执行预测滤波器操作以获得多值输出信号、并对多值输出信号执行量化步骤以获得预测比特流信号的子步骤，其中概率判断子步骤包括从上述多值输出信号推导出上述概率信号。
5.用来数据处理比特流信号的数据处理装置，该数据处理装置包括-用来接收1-bit比特流信号的输入装置，-用来对信号执行预测步骤以获得预测的比特流信号的预测装置，-用来混合比特流信号与预测的比特流信号以获得残留比特流信号的信号混合装置，-用来提供残留比特流信号的输出装置，其中的预测装置包括用来对送到其输入端的比特流信号执行积分操作以获得伪随机音频信号的积分装置，还包括用来从积分器装置产生的伪随机音频信号的最后n个样值推导出外推样值的外推装置，以及用来从外推样值和积分器装置产生的伪随机音频信号的最后样值推导出预测比特流信号的下一个比特值的推导装置，其中n是大于1的整数。
6.用来数据处理比特流信号的数据处理方法，该数据处理方法包括如下步骤-接收1-bit比特流信号，-对信号执行预测步骤以获得预测的比特流信号，-混合比特流信号与预测的比特流信号以获得残留比特流信号，-输出残留信号，其中上述预测步骤包括如下子步骤-对接收的比特流信号执行积分操作以获得伪随机音频信号，-从在积分子步骤中产生的伪随机音频信号的最后n个样值推导出外推样值，-从外推样值和在积分子步骤中产生的伪随机音频信号的最后的样值推导出预测比特流信号的下一个比特值，其中n是大于1的整数。
7.用来数据处理数据压缩残留比特流信号以获得比特流信号的复制品的数据处理装置，该数据处理装置包括-用来接收数据压缩残留比特流信号的输入装置，-熵解码器的形式的数据扩展装置，它响应概率信号对数据压缩残留比特流信号作熵解码，以获得上述残留比特流信号的复制品，-用来提供上述概率信号的装置，-用来混合残留比特流信号与预测的比特流信号以获得逆变换了的比特流信号的信号混合装置，-用来对信号执行预测步骤以获得上述预测的比特流信号的预测装置，-用来提供逆变换了的比特流信号的输出装置。
8.用来数据处理数据压缩残留比特流信号以获得比特流信号的复制品的数据处理方法，该数据处理方法包括-接收数据压缩残留比特流信号，-数据扩展数据压缩残留比特流信号以获得残留比特流信号的复制品，数据扩展步骤包括响应概率信号对数据压缩残留比特流信号作熵解码的步骤和提供上述概率信号的步骤，-混合残留比特流信号与预测的比特流信号以获得逆变换了的比特流信号，-对信号执行预测步骤以获得上述预测的比特流信号，-输出逆变换了的比特流信号。
9.用来数据处理残留比特流信号以获得比特流信号的复制品的数据处理装置，该数据处理装置包括-接收残留比特流信号的输入装置，-用来混合残留比特流信号与预测的比特流信号以获得逆变换了的比特流信号的信号混合装置，-用来对信号执行预测步骤以获得上述预测的比特流信号的预测装置，-用来提供逆变换了的比特流信号的输出装置，其中预测装置包括-用来对送到其输入端的信号执行积分操作以获得伪随机音频信号的积分装置，-用来从积分器装置产生的伪随机音频信号的最后n个样值推导出外推样值的外推装置，-用来从外推样值和积分器装置产生的伪随机音频信号的最后样值推导出预测比特流信号的下一个比特值的推导装置，其中n是大于1的整数。
10.用来数据处理数据压缩残留比特流信号以获得比特流信号的复制品的数据处理方法，该数据处理方法包括如下步骤-接收残留比特流信号，-混合残留比特流信号与预测的比特流信号以获得逆变换了的比特流信号，-对信号执行预测步骤以获得上述预测的比特流信号，-输出逆变换了的比特流信号，其中上述预测步骤包括如下子步骤-对比特流信号执行积分操作以获得伪随机音频信号，-从积分子步骤中产生的伪随机音频信号的最后n个样值推导出外推样值，-从外推样值和在积分子步骤中产生的伪随机音频信号的最后的样值推导出预测比特流信号的下一个比特值，其中n是大于1的整数。
11.包括数据压缩残留比特流信号的传输信号，其中数据压缩残留比特流信号是响应概率信号，通过熵编码残留比特流信号经数据压缩残留比特流信号获得的，残留比特流信号是通过组合1比特比特流信号和一个预定比特流信号获得的，预定比特流信号是通过对1比特比特流或残留比特流信号执行预定步骤获得的。
12.承载数据压缩残留比特流信号的记录载体，其中数据压缩残留比特流信号是响应概率信号，通过熵编码残留比特流信号经数据压缩残留比特流信号获得的，残留比特流信号是通过组合1比特比特流信号和一个预定比特流信号获得的，预定比特流信号是通过对1比特比特流或残留比特流信号执行预定步骤获得的。
全文摘要
公布一个用于数据处理音频信号的数据处理装置。该数据处理装置包括，一个输入端(1)，它用来接收音频信号；一个1－bit的A/D转换器(4)，它用来对音频信号作A/D转换，以获得一个比特流信号；一个预测单元(10)，它用来在比特流信号上提供一个预测步骤，以获得一个预测的比特流信号；一个信号混合单元(42)，它用来混合比特流信号和预测的比特流信号，以获得残留比特流信号；一个输出端(14)，它用来提供残留比特流信号(图1)。而且还公布了一个录音装置(图4)和一个包含数据处理装置的发射装置(图5)。在图18、19和20中可以找到其它的数据处理装置。除此之外，还公布了另外一个用来将残留比特信号转换为音频信号的数据处理装置(图7)，以及包含一个再生装置(图9)和另外一个数据处理装置的接收装置(图10)。
文档编号H05K3/38GK1545085SQ200410001219
公开日2004年11月10日 申请日期1997年10月20日 优先权日1996年11月7日
发明者R·J·范德维勒乌藤, A·A·M·L·布吕克尔斯, A·W·J·奥门, J 奥门, M L 布吕克尔斯, R J 范德维勒乌藤 申请人:皇家菲利浦电子有限公司