CN1298608A - 用于解码音频信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种在算术和/或移位运算期间提高音频解码器的精度的舍入方法。为一上舍入运算而估计被放弃位的最大有效位。

Description

用于解码音频信号的方法和设备

本申请要求1998年4月24日递交的美国临时申请No.60/082,929的利益，该申请结合在此作为参考。

本发明涉及用于解码音频信号的设备和伴随方法。更具体地，本发明涉及一种提高在解码音频信号的过程中被执行的算术运算的精度的方法。

发明背景

随着数字信息激增的要求，数字音频信号在数字视频应用中变为一不可缺少的部分。对数字音频信号的需求可通过在各种众所周知的标准，例如用于DVD和ATSC(先进电视系统委员会)数字视频应用(包括HDTV)的AC-3标准和用于DVB(欧洲数字视频标准)应用的MPEG-1和MPEG-2(运动图象专家组)音频标准中结合有对数字音频要求得到证明。

然而，例如AC-3标准的音频标准，总地规定了一压缩算法以产生在被解码和再现时发出与原始音频信号相同或非常类似的音频信号的数字表示(例如脉冲码调制(PCM)表示)，同时使用于表示压缩的音频表示的位数最少。这样，音频解码器在压缩的音频表示的再现中扮演一重要的角色。

为了保证数字音频的质量，杜比AC-3和MPEG-1/2两音频标准具有对音频解码器的精度的规定。例如，杜比将AC-3解码器分类成三组，分别对应于近似20位、18位和16位的组A、组B和组C。类似地，MPEG音频解码器可被分类成对应于不同的RMS和解码误差的最大绝对值的“ISO/IEC 13818-3音频解码器”和“有限精确ISO/IEC 13818-3音频解码器”。该ISO/IEC 13818-3音频解码器应具有近似16位的精度。

通常，如果使用具有远大于要求的精度的字宽的一数字信号处理器(DSP)完成一音频解码器，则应容易地实现解码精度。例如，使用32位DSP来完成以组C杜比AC-3解码器(20位精度)或一ISO/IEC 13818-3音频解码器(16位精度)应是可得到。然而，使用更强大的DSP增大了成本及复杂度。即，随着DSP的处理字宽(即由解码器硬件在给定时间处理的数据位数)增大，数据总线因此将更宽。这进而增大了处理延迟，且提高了硬件例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、算术逻辑单元(ALU)、乘法器/累计器宽度和大小的要求，从而提高了音频解码器的成本和功耗。

因此，有对实现高水平精度而不需使用高字宽DSP的设备和伴随方法的需要。

发明概述

在本发明的一实施例中，通过在算术及移位运算中进行适当的舍入而提高了一音频解码器的精度。由于这样的运算经常产生超出一例如DSP的处理器的数据字宽的结果，在音频解码器再现音频信号中，该结果的位数经常被放弃而牺牲了精度(称为“舍位精度损失”)。在本发明中，对于一上舍入(rounding up)运算估计被放弃位的最高有效位。然而，在进行舍入之前，舍位的结果必须首先被估计以确定是否存在一饱和(saturate)条件。如果存在一饱和条件，不进行舍入。

例如，使用本发明，一音频解码器通过简单地使用仅带有20位字宽的一DSP处理器，可实现对于杜比AC-3组B和组C解码器和ISO/IEC 13818-3音频解码器定义的精度。在算术和移位运算期间通过适当的舍入，实现该提高的精度。

附图简述

通过以下结合附图所作的详细描述，本发明的教义可被容易地理解，附图中：

图1是简化的AC-3音频解码器的方框图；

图2是本发明的一音频解码系统的方框图；

图3是一种将具有大于“x”的字宽的数字按比例缩小到具有“x”的字宽的数字的方法的流程图；及

图4示出了两基于二进制的乘法示例。

为便于理解，在这些附图中使用相同的参考数字来表示相同的元件。

详细描述

图1示出了一简化的AC-3音频解码器的方框图。应理解本发明可在依据于其他标准的其他音频解码器中被实现。

图1示出了AC-3音频解码器100，其包括一帧同步/去格式化部分110、一位分配部分120、一尾数去量化部分130、一谱包络解码部分140、和一合成滤波器组150。由于音频解码器100执行音频编码器的相反功能，如果在此简明地说明AC-3音频编码方法，对于理解音频解码器的各个部分是有帮助的。

根据AC-3标准，PCM时间取样经一分析滤波器组被变换成一序列频率系数块。即时间取样的重叠块，例如512通过一时间窗被倍增且被变换成频域，该频域表示可被进一步处理例如通过两(2)的因子进行抽选。进而，这些单独的频率系数被用二进制指数记号表示为一二进制指数和一尾数。该组指数被编码成该信号谱的一表示，称之为“谱包络”，而尾数被粗略地量化。最后，该用于多个音频块，例如六(6)块的谱包络和量化的尾数被一起格式化成一AC-3音频帧。

这样，在工作中，该解码器的帧同步/去格式化部分110必须首先同步到在路径105上接收的编码的位流且然后对例如编码的谱包络和量化的尾数的各种类型的数据进行去格式化。进而，该编码的谱包络被传送到谱包络解码部分140，在那里，该谱包络被解码以生成这些指数，而这些量化的尾数被传送到尾数去量化部分130，在那里，这些尾数被去量化。位分配部分120将位分配信息提供给尾数去量化部分130，从而在分离和去量化过程中提供帮助。最后，这些指数和尾数通过合成滤波器组150被变换回成时间域以生成在路径155上的解码的PCM时间取样。

在这些PCM时间取样被自编码的位流重生成之前，音频解码器100的各个部分必须执行多次算术或移位运算，例如乘法、除法、减法和/或加法。这样，这样的算术或移位运算的各种结果部分地或全部地代表编码的音频信号(或是一中间表示)。

在本发明中，采用一舍入方法，其中由于DSP的最大数据字宽，舍位是需要的。即，该DSP的数据字宽影响到执行这些算术和移位运算的方式。例如，如果该音频DSP处理器具有x位，例如20位的数据字宽，则在各算术运算后，最后的结果通常被存储在一20位寄存器或一20位存储器单元中。

为说明起见，两个20位运算对象的相乘生成一39位乘积。即，如果两个20位二进制数(1位表示该数字的符号且19位表示实际数字)，则该乘积最大应包括一38位数，带有1位表示该数字的符号，即一39位乘积。然而，由于该DSP在一固定的数据字宽，例如20位上进行工作，该39位乘积被舍位到一20位乘积。由于在再现该PCM时间取样中执行许多算术运算，自这些舍位步骤生成的精度损失将自连续的算术或移位运算进行传播，从而终究导致在由该音频解码器生成的PCM时间取样中的精度损失。这样的精度损失将表明它自己为该再现的音频信号中的劣化，从而导致对音频解码器的较差的评价。

为定址(address)该临界状态，可以如上所述的较大成本、功耗和复杂性的代价采用可处理较长数据字宽的DSP。类似地，使用浮点DSP也将该临界状态定址到一有限程度，但也付出较大成本和复杂性的代价。这样，本发明提供了一适当的舍入方法(当需要时)，降低精度损失，从而允许在一音频解码器中使用较低成本的DSP以实现再现的音频信号中的较高精度。

图2示出了本发明的音频解码系统200。该音频解码系统包括一通用计算机或DSP210和各种输入/输出装置250。该通用计算机包括一中央处理单元(CPU)230、一存储器220和一用于解码音频信号的音频解码器240。

存储器220在这里被广义地定义为一存储装置。这样，存储器220被示出为具有一随机存取存储器(RAM)222和/或一或多个寄存器224。

计算机210可被耦合至多个输入和输出装置250，例如一键盘、一鼠标、一音频记录器、一照相机、一视频监视器、一扬声器、一接收机、任何数目的成象装置或存储装置，包括但不限于一磁带驱动器、一软盘驱动器、一硬盘驱动器或一紧致盘驱动器。这些输入装置用于控制或提供输入，例如编码的位流给该计算机，而这些输出装置用于接收和/或给出这些重生成的PCM时间取样。

在一实施例中，音频解码器240简单地是如上在图1中所讨论的音频解码器100。音频解码器240可是一通过一通信信道被耦合至CPU230的物理装置。如果该音频解码器被以硬件，例如专用集成电路实现，然后，本舍入方法可被直接实现成执行算术运算的任何部分。

可替换地，音频解码器240可由从一存储介质(例如一磁或光学驱动器或盘)被装载且驻留在该计算机的存储器220中的一软件应用程序表示。这样，本发明的音频解码器240可被存储在一计算机可读介质上。

更具体地，在该优选实施例中，该通用计算机或DSP210被使用软件应用程序进行编程以实现如上在图1中所讨论的音频解码器100的各不同部分。如果对要求一舍位步骤的任意这些部分执行一算术运算，则本舍入方法将被采用(当需要时)，如以下所讨论的。

在一实施例中，通过CPU的一算术逻辑单元(ALU)执行算术运算。该ALU可结合一或多个子单元，例如一专用的乘法器234、一除法器、一加法器、一减法器(未示出)等。这样，如果该音频解码器需要待被执行的算术运算，它可简单地将数据传送给该CPU并等候待被从CPU反馈回的结果。在本发明中，对导致需要结果，例如乘积、商、和、差等进行舍位的任何算术运算或位移位运算执行舍入。即，到被保持的最后位(即被舍位的这些位的最高有效位)的紧接下一最低有效位(LSB)被估算以确定该被舍位的结果是否应被上舍入。

更具体地，现使用具有20位的数据字宽的一音频DSP描述该舍入方法。然而，应理解本发明可在任何数据字宽的任何音频DSP中被采用。

首先，随意地采用定标以定标一算术运算的结果。即，一算术运算可生成一具有超过该DSP的字宽的宽度的结果。这样，采用定标以保持该算术运算的结果的最相关的部分。

为说明起见，两个20位运算对象的相乘生成一39位的乘积。通常，对于定点乘法运算，该39位乘积的20个最高有效位(MSB)被用于表示该结果。这在图4中的第一乘法例中被说明。即，由于两非整数的乘积的最重要信息经常被放置在MSB中，该39位乘积的20个最高有效位(MSB)被用作为结果。无需说，应注意到该两个20位对象的动态范围可被使用以控制该定标运算，由于具有较小值的运算对象可命令20个最低有效位(LSB)的选择。

相反，对于整数乘法运算，这些20位LSB通常被使用以得到两个整数的精确乘积(如果该乘积不超过20位)。这在图4的第二乘法例中被说明。即，由于两整数的乘积的最高有效位经常被放置在紧靠在小数点的左侧的位中，该39位乘积的20个最低有效位(LSB)被用作为结果。再者，该两个20位运算对象的动态范围可被使用以控制该定标运算，由于具有较大值，例如较大整数值的运算对象可命令该20个MSB的选择。

一旦完成定标，对于定点乘法运算，应选择地执行适当的舍入以获取最接近于该39位乘积的20位。在运算中，通过20位乘法运算所得到的一20位的结果被存储在具有从P0(LSB)到P39(MSB)编号的40位字宽的PREG寄存器224A中。该39位乘积被从P38到P0地存储，而位P39被用于检测溢流情况。然后该39位乘积在具有20位字宽的P定标寄存器224B中被按比例缩小到一20位近似。该39位根据在具有最小两(2)位字宽的状态寄存器224C中所设置的标志而被定标。

更具体地，两个标志，RNDM(舍入模)和PM(乘积模)在状态寄存器224C中被提供以控制该乘法近似的选择。即，该RNDM标志控制当从39位乘积得出20位MSB时是否应执行舍入运算。该PM标志控制该39位乘积的20位MSB或该20位乘积的20位LSB是否应被存储在存储器中以表示该乘法运算的乘积(近似的或实在的)。这两个标志可在根据表1经DSP指令被需要时在程序编制器的控制下被设置/重设置。

PM	RNDM	位选择及舍入判定
			0	0	PREG寄存器的低20位(P19、P18、…、P0)将被传送给一累计器或存储器
0	1	PREG寄存器的低20位(P19、P18、…、P0)将被传送给一累计器或存储器
			1	0	P寄存器中的乘积的高20位(P38、P37、…、P19)将被传送给一累计器或存储器
1	1	P寄存器中的乘积的高21位(P38、P37、…、P18)被舍入并饱和以获得20位结果T且传送到一累计器或存储器

                           表1

如表1中所示，本舍入方法未被用于所有的乘法运算。即，本发明必须确定20MSB是否被“饱和”。饱和是这样一情况：20MSB准备表示对于一20位数据字宽的最大正数值，即(P38、P37、…、P19)=(0、1、1、…、1、1)，其中0(P38)通常被用于表示一正符号的条件。如果上舍入被施加于一被饱和的正数，则该数的符号将被改变至一负符号，从而导致一溢流误差。应注意到该情况将不影响一被饱和的负数，因为上舍入将导致该数是不太负的(lessnegative)。这样，如果选择的20MSB被饱和，则本舍入方法不被进行。

然而，如果选择的20MSB未被饱和，则本舍入方法被进行，其中为了舍入的目的估算位P18。即，如果P18具有值1，则选择的20MSB被上舍入一值1。如果P18具有值0，则选择的20MSB不被上舍入。

该舍入及饱和方法如下：

如果(P38、P37、…、P19)=(0、1、1、…、1、1)

      T=2＾19*P38+2＾18*P37+…+2＾0*P19

此外T=2＾19*P38+2＾18*P37+…+2＾0*P19+P18

其中T表示该39位乘积的20位近似。

在一定点数字的右移指令期间出现精度损失的另一来源。即，一些运算可能要求一数被向右移过n个位，这等效于除以2n的运算。该移位运算可有效地放弃最右边的n位。然而，使用舍入右移可取得精度提高，即其中被放弃的位的MSB被估算用于舍入。

例如，假定“n”是需要被右移的位数且“n”大于0。T是待被移动的20位定点数。S是如下所定义的T的中间移位的结果及“S+1”是该中间移位的结果S加上一(1)的值。然后，该舍入右移结果R可通过以下程序获得：

                   如果n=0,R=T，

                 此外，S=T的(n-1)位右移；

如果S等于0x7ffff，则R=S的1位右移    (2)

                  此外，R=(S+1)的1位右移

应注意到公式(2)的第三行是对于检测如上所讨论的一饱和条件的询问。即，如果检测到一饱和条件，右移结果R被设置等于S的一(1)位右移，其等效于没有舍入的T的n位右移。

而且，各种标准，ATSC和MPEG，结合定点系数ROM表。这样，这些表中的所有定点系数也可根据上述的舍入及饱和方法被舍入到x位，例如20位，定点数。这些表包括，但不限于：

对于 AC-3标准：

中央混合值(ATSC Doc.A/52中的表5.4)，

环绕混合级(ATSC Doc.A/52中的表5.5)，

模拟规格化值(在ATSC Doc.A/52中的章节7.6中被定义)，

3级量化(ATSC Doc.A/52中的表7.19)，

5级量化(ATSC Doc.A/52中的表7.20)，

7级量化(ATSC Doc.A/52中的表7.21)，

11级量化(ATSC Doc.A/52中的表7.22)，

15级量化(ATSC Doc.A/52中的表7.23)，

变换窗序列(ATSC Doc.A/52中的表7.33)，

512-取样IMDCT系数表(ATSC Doc.A/52中定义的zcos1和zsin1)，

256-取样IMDCT系数表(ATSC Doc.A/52中定义的zcos2和zsin2)。

对于MPEG：

层Ⅰ，Ⅱ比例因子(ISO/IEC 11172-3中的表3-B)

量化的层Ⅱ类别：C表和D表(ISO/IEC 11172-3中的表3-B.4)

用于层Ⅰ的再量化表1(2＾nb/(2＾nb-1))，

用于层Ⅰ的再量化表2(2＾(-nb+1))，

合成窗口的系数D(ISO/IEC 11172-3中的表3-A.2)。

应注意到对于MPEG情况，用于量化的层Ⅱ类别的C表和用于层Ⅰ的再量化表1(2＾nb/(2＾nb-1))被首先减1，然后余数被定标、舍入及饱和而以20位定点格式进行存储。通过这样，这些系数具有大于1位的精度。解码器软件将在解码过程期间将被减的一加回。

图3示出了用于将具有大于“x”的字宽的一数按比例缩小并舍入到具有“x”字宽的一数的方法300的流程图。更具体地，方法300公开了对各种算术或移位运算施加定标及舍入以减少在一音频解码器的再现的音频信号中的精度损失。

更具体地，方法300在步骤305开始并进到步骤310，在步骤310方法300询问定标运算是否包含结果T的按比例增大或按比例减小。即，按比例减小表示从结果T选择“x”个LSB而按比例增大表示从结果T选择“x”个MSB。各种因子被估算以控制定标运算，例如运算对象的动态范围及该算术运算是否包含正数或非正数。

如果该定标运算包含按比例缩小，方法300进到步骤325，在步骤325该“x”个LSB被选择且不进行舍入，即设置PM=0。如果该定标运算包含按比例增大，方法300进到步骤320。

在步骤320，方法300询问该“x”个MSB是否被饱和。如果该询问得到肯定的答复，则方法300进到步骤335，在步骤335该“x”MSB被选择且不进行舍入，即设置PM=1即RNDM=0。如果该询问得到否定的答复，则方法300进到步骤330，在步骤330“x+1”MSB被选择且进行舍入，即设置PM=1及RNDM=1。尽管本发明为了实现舍入附加MSB目的而估计该“x+1”MSB，可任意地采用附加的MSB，例如，“x+2”MSB、“x+3”MSB等。

最后，在步骤340，来自步骤325、步骤330或步骤335的选择的位被存储在例如存储器中。然后方法300在步骤350结束。

这样，已描述了提高音频解码器的精度的一种新的方法。本发明的一重要方面是当需要时选择地施加一舍入方法的能力。该舍入方法在使硬件成本或软件复杂性最小的同时提高了音频解码器的整体精度和精确性，从而使用较低成本工具取得较高精度。

尽管在此详细示出并描述了结合有本发明的教义的各种实施例，本领域的熟练技术人员可容易地导出仍结合有这些教义的许多其他变化的实施例。

Claims (10)

1、一种提高音频解码器的精度的方法，其中所述音频解码器采用用于执行算术运算以解码一被编码音频信号的具有x位数据字宽的一处理器，所述方法包括有步骤：

(a)按比例增大或按比例缩小一算术运算的结果，其中所述结果表示所述编码的音频信号；

(b)如果进行所述按比例增大，从所述结果选择至少x+1最大有效位；及

(c)将所述至少x+1最大有效位舍入到一x位结果，其中所述舍入的结果提高了音频解码器的精度。

2、根据权利要求1的方法，还包括有步骤：

(a’)在执行所述选择步骤(b)之前确定是否存在一饱和条件，其中如果所述饱和条件被检测到，所述选择步骤(b)仅从所述结果选择x最大有效位且所述舍入步骤(c)被省略。

3、根据权利要求2的方法，其中所述处理器具有20位的数据字宽，且其中如果进行按比例增大，所述选择步骤(b)从所述结果选择至少21个最大有效位，且其中所述舍入步骤(c)将所述至少21个最大有效位舍入到一20位结果。

4、根据权利要求2的方法，其中所述饱和确定步骤(a’)还将来自所述饱和确定步骤的结果存储到一寄存器中。

5、一种用于提高音频解码器的精度的方法，其中所述音频解码器采用用于执行移位运算以解码一被编码的音频信号的一处理器，所述方法包括有步骤：

(a)将一结果移过“n-1”位以获得一移位的结果。其中所述结果代表一音频信号且所述“n”是需要被移位的位数；

(b)将一的值加至所述移位的结果以获得一修改的移位的结果；及

(c)通过将所述修改的移位的结果移位一位来舍入所述修改的移位的结果，其中所述舍入的结果提高了该音频解码器的精度。

6、根据权利要求5的方法，还包括有步骤：

(a’)在执行所述增加步骤(b)之前确定是否存在一饱和条件，其中如果所述饱和条件被检测到，所述增加步骤(b)被省略且所述舍入步骤(c)通过将所述移位的结果移过一位来舍入所述移位的结果。

7、根据权利要求6的方法，其中所述处理器具有20位的数据字宽。

8、一种用于提高一解码的音频信号的精度的音频解码器(210)，所述音频解码器包括：

用于按比例增大或按比例缩小一算术运算的结果的装置(230)，其中所述结果表示所述编码的音频信号；

用于如果进行所述按比例增大，从所述结果选择至少x+1最大有效位的装置(230)；及

用于将所述至少x+1最大有效位舍入到一x位结果的装置(230)，其中所述舍入的结果提高了音频解码器的精度。

9、根据权利要求8的音频解码器，还包括：

用于确定对于所述定标的结果是否存在一饱和条件的装置(230)。

10、根据权利要求8的音频解码器，其中使用具有20位的数据字宽的一处理器(230)实现所述多个装置(230)。

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