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CN1279531C - 用于压缩以及恢复数字输入信号的方法和装置 - Google Patents

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CN1279531C CNB018025226A CN01802522A CN1279531C CN 1279531 C CN1279531 C CN 1279531C CN B018025226 A CNB018025226 A CN B018025226A CN 01802522 A CN01802522 A CN 01802522A CN 1279531 C CN1279531 C CN 1279531C
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Abstract

用于压缩一个数字输入信号(Mi)比特位数的方法和信号处理装置，包括步骤：在一个数字输入信号中增加一个伪随机噪声信号(Na)从而获得一个中间信号(Di)，该伪随机信号(Na)由噪声参数(Np)来确定，并且可以将具有n比特字长的中间信号量化为一个具有m比特字长的压缩字长信号，n大于或等于m。该方法进一步包括量化中间信号(Di)的步骤，该量化步骤中含有一个非线性的转换函数，上述第一转换函数由非线性装置参数(NLDp)确定。并且，本发明涉及一种用于从压缩字长信号(Me)中恢复一个输出信号(Mo)的方法和信号解码装置，其中压缩字长信号(Me)由本发明所提供的方法获得。

Description

用于压缩以及恢复数字输入 信号的方法和装置
本发明涉及一种压缩数字输入信号的比特位数的方法，包括步骤：在一个数字输入信号中增加一个伪随机噪声信号从而获得一个中间信号(Di)，该伪随机噪声由噪声参数来确定，并且可以将具有n比特字长的中间信号量化为一个具有m比特字长的压缩字长信号，n大于或等于m。更进一步，本发明涉及一种信号处理装置，包括一个伪随机噪声发生器，用于产生由噪声参数确定的噪声信号，一个连接噪声发生器的加法单元，该单元可以将噪声信号加入一个数字输入信号从而产生一个中间信号，以及一个连接该加法单元的量化单元，该单元将具有n比特字长的中间信号转换为具有m比特字长的压缩字长信号，n大于或等于m。
英国专利申请GB-A-2293297描述了一种用于处理32比特字长的输入数字信号的装置，产生一个较低分辨率(16比特)的输出信号。将上述数字信号转换为一个具有较低分辨率的输出数字信号之前，将伪随机噪声加载到输入数字信号中。加入噪声会导致信号的高频脉动，为了使从32比特到16比特数字转换器的急剧非线性转换函数平滑。重新产生数字信号时，从记录信号中减去相同的噪声信号，从而实际提供一种无噪声的16比特信号。通过从记录信号中重新产生一个指示信号实现噪声信号和数字信号的同步。
用于一个例如光盘的记录媒质上记录信号的当前一天的量化值被限制在16比特，从而导致仅仅有96dB的最大动态范围。尽管可以使用同样的记录技术采用较多字长记录数字信号从而获得更高的动态范围，但是这样的记录将不会与以往的系统在播放上兼容。GB-A-2293297中所描述的方法和系统通过在信号中增加噪声提高了量化前信号读取的质量，但是当同步和噪声参数包括在记录信号中，记录信号的相同拷贝变为可能。
因此本发明的目的在于试图压缩具有扩展动态范围的数字信号的字长，并同时与现有的、能重放压缩字长信号(如标准16比特CD信号)的方法和装置兼容。并且，本发明可以提供一个量化信号的反拷贝保护。
本发明提供一种上文所描述的前同步码的方法，其中量化中间信号的步骤包括一个非线性转换函数且该转换函数由非线性装置参数决定。通过适当地选择噪声参数和非线性装置参数，可以获得压缩字长信号，该信号可以利用常规装置恢复或者重放，但是品质有所降低。当n等于m，比特位长度没有减少，但是仍然维持非线性转换装置的作用和加入噪声。
在另一个实施例中，用于小振幅的第一转换函数的量化阶小于大振幅的量化阶。最好是，第一转换函数的增益对于小振幅基本上等于一并且对于大振幅所述增益降低。一个转换函数的范例由函数Me/Di＝c1tanh(c2Di+c3)提供，Me是压缩字长信号，Di是中间信号而c1，c2，c3是非线性装置参数。第一转换函数决定压缩字长信号中的畸变数量。人耳在小振幅信号的情况下比在大振幅的情况下对噪声更为敏感。仍然可辨别并且可以听到的情况下，在一定的压缩质量范围内，音质效果允许增加噪声来降低压缩字长信号。
在另一个实施例中，噪声信号的振幅至少等于预定噪声值。选出预定噪声值从而保证提供高频脉动效果，甚至用于大振幅信号。
噪声抖动技术可以用于获得具有更多优良品质的噪声信号。
在另外一个实施例中，压缩字长信号，非线性装置参数以及/或者噪声参数被记录在一个记录媒质上。例如，记录媒质是一个光盘并且压缩字长信号记录在第一信道中而且非线性装置参数和/或噪声参数记录在第二信道中，第一信道和第二信道是相互独立的信道。这就允许提供一个低品质的压缩字长信号，例如一个预检(优于预听)信号。仅仅在接收器也接收非线性装置参数以及噪声参数的时候，原始的完全品质数字信号可以被恢复。由于非线性装置参数和噪声参数通过一个不同于压缩字长信号的信道进行分配，因此目前的方法也提供一种高品质信号的反拷贝功能。
并且，本方法还可进一步包括提供一个差分信号的步骤，该差分信号等于中间信号减去压缩字长信号。
本发明还涉及从一种根据本发明的方法压缩字长的信号中恢复输出信号的方法，包括步骤：将具有m比特的压缩字长信号量化为一个具有n比特的解码信号，上述量化由第二转换函数确定，第二转换函数与第一转换函数恰好为反函数。这就可以恢复一个具有原始数字输入信号的原始字长的输出信号，从而提供一个具有高动态范围的输出信号。
在一个优选实施例中，通过从解码信号中减去去噪声信号产生输出信号，去噪声信号实际等于噪声信号。该实施例可以恢复一个具有高品质水准的输出信号，原始数字输入信号的唯一额外退化是由于非线性量化操作的量化噪声所构成。通过选择合适的非线性装置参数以及噪声参数，上述额外退化可以被缩小到可以接受的程度。
在另一方面，本发明涉及一种上文所定义的前同步的信号处理装置，其中量化单元具有一个非线性转换函数，该非线性转换函数由非线性装置参数确定。尤其，信号处理用于执行本发明所述的方法。
并且，本发明涉及一个用于从本发明权利要求所述的信号处理装置的压缩字长信号中恢复一个输出信号的信号解码装置，包括第二量化单元，该单元具有用于将压缩字长信号转化为一个解码输出信号的第二转换函数，其中第二转换函数是第一转换函数的反函数。
在一个优选实施例中，信号解码装置包括另一个噪声源，用于给一个减法单元提供一个去噪声信号，该去噪声信号实际相当于噪声信号，减法单元从解码信号中减去去噪声信号从而产生输出信号。
本发明可以用于各种数字信号，表示例如语音信号或者视频信号。
本发明将通过实施例及其附图作进一步地详细描述，附图表示本发明所述方法的信号流向示意图。
一个具有n比特字长的数字输入信号Di被输入一个非线性装置(NLD)10。第一个NLD10具有一个转换指数以至可以将数字输入信号Di从n比特压缩到m比特从而成为第一压缩字长信号Me(例如从20比特压缩到16比特，就象在一个常规CD信号中那样)。转换特性是非线性的，例如小振幅的量化阶比大振幅的量化阶更小。小振幅的增益实际等于一(线性特性)，而大振幅的增益却降低了。这样的一个转换指数的范例为如下函数：
Me/Di＝c1tanh(c2Di+c3)，
c1，c2和c3是NLD的参数NLDp。
通常，第一NLD10的指数函数应该服从需求，即该函数应该在输入信号范围内单调，对于0输入值，输出值应该为0(例如，在上述等式中，c3≈0并且最好c3＝0)，并且负的输入值的输出值应该等于负的正向输入值(f(-x)＝-f(x))。当然，指数函数也应该服从第一NLD10的原始结果，例如将数字输入信号Di的字长从n比特压缩到m比特。
尤其，一个噪声信号N被添加到原始数字输入信号Mi从而获得数字输入信号Di。利用一个伪随机高频脉动噪声源12产生噪声信号N。通过加法器11将该噪声源加入原始数字输入信号Mi，形成数字输入信号Di。
附加噪声信号的指数可以由噪声参数Np确定，例如概率密度函数(pdf)，振幅，初始值，等等。噪声参数Np在一预定电平被选作影响原始数字输入信号Mi，这样就可以防止一个恒定输入信号(该信号是合适的)。该量化阶在本领域是公知的高频脉动信号。如果原始数字输入信号Mi是语音信号的数字数据流，从几乎听不到至清晰的听到范围之间附加噪声信号可能恶化语音信号。为了在该信号通过第一NLD10的时候具有一个充分效果，附加噪声信号应该有一个足够大的振幅，可以在通过第一NLD10之后在信号中完成高频脉动效果。
数字输入信号Di(包括附加噪声N)输入第一NLD10。原始数字输入信号Mi的一个很高的畸变通过噪声信号N仍然可以被人耳所辨别，虽然信号质量已经明显降低。此外，通过控制噪声参数Np，所有的SNR都可以受到影响。
压缩字长信号Me可以被记录在一个记录媒质13上，例如一张光盘。该记录媒质13可以包括具有m比特字长的压缩字长信号Me。清楚的原因，用于在光盘13上记录数字信号的进一步信号处理，例如纠错以及EFM模块，还没有描述。如前面所讨论过的，当m的值为16时，含有压缩字长信号Me的光盘13可以在常规的16比特光盘播放器上播放。一旦原始输入信号Mi发生非线性变化，重播信号将多少发生一些失真，这取决于通过噪声源12所附加的噪声信号数量以及第一NLD10所引入的失真数量。换句话说，压缩字长信号Me可以通过一个如互联网或者电话线路这样的传输媒质传送给接收者。
为了恢复原始输入信号Mi，压缩字长信号Me被输入到另一个NLD14。第二NLD14与第一NLD10具有相反的指数，可以将m比特压缩字长信号Me转变为n比特解码信号Md。当然，解码信号Md将包括信号通过第一NLD10和第二NLD14随后操作中产生的量化噪声。
将噪声信号N添加到原始输入信号Mi的加法运算以及随后的非线性操作，通过第一非线性装置10产生一个压缩字长信号Me，在该信号中，用于小振幅的SNR比用于大振幅的SNR要小。然而，第二非线性装置14为了小振幅而压缩相关的大噪声成分并且在大振幅中放大相关的小噪声成分，这样就导致在所有的振幅上具有一个恒定的SNR。
在一个优选实施例中，可以采用一个减法单元15从解码信号Md中减去附加噪声信号，产生n比特输出信号Mo，实际上该信号等于原始数字输入信号Mi。为此，尤其是，另一个噪声源16(可能与噪声源12相同)被使用，该噪声源利用噪声参数Np可以产生需要从解码信号Md中减去的噪声信号。对于一个好的操作来说，第二噪声信号Ns应该与压缩字长信号Me同步。
NLD的参数NLDp和噪声参数Np可以是固定值。在这种情况下，可以通过将参数NLDp，Np存储在一个相关存储单元(未示出)中，将这些参数放置在如第一NLD10，第二NLD14，噪声源12以及第二噪声源16这样的设备中。
在一个可选的优选实施例中，参数NLDp，Np是可变参数，该参数可以与压缩字长信号Me同时变化。当压缩字长信号Me被记录在光盘中，如上面所讨论的，该参数可以被存储在光盘子码中，但也可以通过使用一种如凹槽长度调制或者凹槽深度调制这样的物理变化存储在光盘中。物理变化的解决方案所提供的额外好处在于一个正常的光盘复制操作将仅仅复制压缩字长信号Me，而不会自然的编码参数NLDp，Np。这提供了一个好的反拷贝保护，不通过附加噪声信号N，压缩字长信号Me不能被恢复到n比特输出信号Mo。
当然，参数NLDp，Np以及压缩字长信号Me可以通过相互独立的信道进行转换，这两个信道实际是独立的或者信道是时分的。也就是说可以通过互联网提供压缩字长信号Me作为一个预检(或者预听)信号，等等。预检信号Me与原始压缩字长信号Mi相比具有压缩质量(较低的SNR)，但是可以选择NLD参数NLDp或噪声参数Np，这样信号仍然可以用于预检的目的。只有在付款之后，通过一条独立的信道(例如一条安全互联网连接)，参数NLDp，Np才可以有效，从而高品质地恢复输出信号Mo。
对于本领域技术人员来说，显而易见可以构成一些其他的变体，例如只有NLD参数NLDp或噪声参数Np有效。参数修改可以包括在重放装置中(掩膜在硅片中)，而可变参数根据压缩字长信号Me进行转换。
在另一个实施例中，当产生噪声信号N被加入原始数字输入信号Mi的时候，应用了噪声整形技术，允许例如由第一NLD10所产生的量化错误的反馈。
在另外一个实施例中，不是压缩字长信号Me被记录，而是差值Δie＝DI-Mi被记录。对于某些应用，这样的编码技术可以提供进一步的优点，例如需要记录一个更低字节长度的压缩字长信号Me。
因此，本方法允许使用压缩字长信号Me(具有较低动态范围)来记录一个在媒质上具有高动态范围的原始数字数据信号Mi，以及恢复一个仍然具有恢复高动态范围能力的输出信号。本方法提供一种后向能力，用于通过现有的恢复装置恢复一个M比特压缩字长的信号，虽然由于第一NLD10的非线性字长减少以及来自噪声源12的高频脉动的增加，会产生某一信号的减少。如上文所述，记录信号的复制以及光盘13上如NLDp，Np这样的相关参数可以阻止使用某调制技术。本方法还允许在保持后向兼容性的同时，通过增加输出信号Mo的最大动态范围提高诸如光盘播放器性能。

Claims (11)

1.压缩数字输入信号(Mi)比特数的方法，包括步骤：
将伪随机噪声信号(Na)加入数字输入信号(Mi)从而获得一个中间信号(Di)，伪随机噪声信号(Na)由噪声参数(Np)确定；并且
将该具有n比特字长的中间信号(Di)量化为具有m比特字长的压缩字长信号(Me)，n大于或等于m，其中量化中间信号(Di)的步骤包括一个非线性的第一转换函数，该第一转换函数由非线性装置参数(NLDp)确定，其中用于小振幅的第一转换函数的量化阶小于用于大振幅的量化阶，并且第一转换函数的增益对于小振幅基本上等于一并且其中对于大振幅所述增益降低，
其特征在于第一转换函数等于函数Me/Di＝c1tanh(c2Di+c3)，其中Me是压缩字长信号，Di是中间信号而c1，c2，c3是非线性装置参数(NLDp)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于噪声信号(Na)的振幅至少等于预定噪声值。
3.如权利要求1到2中任何一个所述的方法，其特征在于运用噪声整形技术以获取噪声信号(Na)。
4.如权利要求1到2中任何一个所述的方法，其特征在于压缩字长信号(Me)、非线性装置参数(NLDp)和/或噪声参数(Np)被记录在一种记录媒质(13)中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于记录媒质(13)是一张光盘并且压缩字长信号(Me)被记录在第一信道中，而非线性装置参数(NLDp)和/或噪声参数(Np)被记录在第二信道中，上述第一信道和第二信道是独立的信道。
6.如权利要求1到2中任何一个所述的方法，进一步包括提供一个差分信号的步骤，该差分信号等于中间信号(Di)减去压缩字长信号(Me)。
7.从利用权利要求1-6中的任一权利要求所述的方法提供的压缩字长信号(Me)中恢复输出信号(Mo)的方法，包括步骤：
将具有m比特的压缩字长信号(Me)量化为具有n比特的解码信号(Md)，量化通过第二转换函数确定并且第二转换函数是第一转换函数的反函数，第一转换函数由非线性装置参数(NLDp)确定，其中用于小振幅的第一转换函数的量化阶小于用于大振幅的量化阶，并且第一转换函数的增益对于小振幅基本上等于一并且其中对于大振幅所述增益降低，
其特征在于第一转换函数等于函数Me/Di＝c1tanh(c2Di+c3)，其中Me是压缩字长信号，Di是中间信号而c1，c2，c3是非线性装置参数(NLDp)。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括从解码信号(Md)减掉一个去噪声信号(Ns)从而提供输出信号(Mo)的步骤，去噪声信号(Ns)基本上等于噪声信号(Na)。
9.信号处理装置，包括一个产生由噪声参数(Np)所确定的噪声信号(Na)的伪随机噪声发生器(12)，一个连接到噪声发生器(12)的加法单元(11)，该单元用于将噪声信号(Na)加入数字输入信号(Mi)从而提供中间信号(Di)，以及连接到加法单元(11)的第一量化单元(10)，该量化单元用于将具有n比特字长的中间信号(Di)转换为具有m比特字长的压缩字长信号(Me)，n大于或等于m，其中量化单元(10)具有一个非线性的第一转换函数，该第一转换函数由非线性装置参数(NLDp)确定，其中用于小振幅的第一转换函数的量化阶小于用于大振幅的量化阶，并且第一转换函数的增益对于小振幅基本上等于一并且其中对于大振幅所述增益降低，
其特征在于第一转换函数等于函数Me/Di＝c1tanh(c2Di+c3)，其中Me是压缩字长信号，Di是中间信号而c1，c2，c3是非线性装置参数(NLDp)。
10.用于从权利要求9所述的信号处理装置所提供的压缩字长信号(Me)中恢复一个输出信号(Mo)的信号解码装置，包括
具有第二转换函数的第二量化单元(14)，该函数可以将压缩字长信号(Me)转变为解码输出信号(Md)，第二转换函数是第一转换函数的反函数，其中用于小振幅的第一转换函数的量化阶小于用于大振幅的量化阶，并且第一转换函数的增益对于小振幅基本上等于一并且其中对于大振幅所述增益降低，
其特征在于第一转换函数等于函数Me/Di＝c1tanh(c2Di+c3)，其中Me是压缩字长信号，Di是中间信号而c1，c2，c3是非线性装置参数(NLDp)。
11.如权利要求10所述的信号解码装置，进一步包括第二噪声源(16)，用于向减法单元(15)提供一个去噪声信号(Ns)，去噪声信号(Ns)基本上等于噪声信号(Na)，减法单元(15)用于从解码信号(Md)中减去所述去噪声信号(Ns)从而提供输出信号(Mo)。
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