用于阶乘脉冲编码器的算术编码的制作方法

专利名称：用于阶乘脉冲编码器的算术编码的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及高效率的数字编码和解码。
背景技术：
最近二十年来，微处理器速度增加多个数量级并且数字信号处理器(DSP)变得无所不在。从模拟通信到数字通信的变换变得更加灵活和有吸引力。数字通信提供能够有效地利用带宽的主要优点，并且允许使用错误校正技术使用。从而，通过使用数字技术，可以通过给定分配的频谱空间发送更多信息并且更可靠地发送信息。数字通信可以使用无线电链路(无线)或物理网络媒体(例如，光纤、铜质网络)。数字通信可以用于不同类型的通信，诸如，例如音频、视频或遥测技术。数字通信系统包括发送设备和接收设备。在能够进行双向通信的系统中，每个设备都具有发送和接收电路。在数字发送或接收设备中，存在多阶段处理，通过其，数据在通过输入端(例如，麦克风、相机、传感器)而被输入的阶段和在被用于调制载波并且被传输的阶段之间被传送。 在(1)被输入并且被数字化之后，(2)可以应用一些初始噪声滤波，之后进行C3)源编码和最终信道编码。将在随后页中描述的本发明可以认为落入源编码阶段中。源编码的主要目标在于减小比特率，同时最大可能地保持感知质量。不同标准被开发用于不同类型的媒体。例如，JPEG标准应用至静止图像，同时IS-127标准应用至音频。 对于实用的让步，通常使用对应于DSP寄存器长度的矢量长度或多个DSP寄存器长度(例如，1 位)的偶数倍来设计源编码器。现在对于每个应用，都存在对所分配信道带宽的一些限制。基于该限制，源编码器/解码器的设计者将考虑正被编码的媒体的每个部分的所有自由度来决定可能代码的特定数量。例如，在音频编码的情况下，可能存在已建立的特定帧尺寸(例如，160个采样长)、在每个音频帧中所允许的音频脉冲的特定数量、以及将被分配给脉冲的总幅度量子的特定数量。由设计者作出的选择旨在最大化感知质量，同时保持在所分配的带宽内。因为所有事物都是离散的并且被量化，所以可以列举特有(unique) 帧的总数量。用于每帧的特有可能性的总数量与所分配的带宽紧密相关，这是因为其必须可以在音频帧的时间间隔期间通过信道发送足够信息，以识别在该帧期间最对应于该音频的一个特有帧。特有帧的总数量越大，就要求更多信息以唯一地识别一个特定帧。现在，可能发生的是，特有帧的总数量(η)不是2的幂(即，η兴2k，其中，k是整数)。例如，假设η < 2k，在这种情况下，如果使用k位整数表示每帧，则应该一直存在绝不被发送的接近2k的较高值整数的一些范围。这表示系统是低效率的，这是因为已经分配了 k位，但是k位未被完全利用。美国专利No. 7，230，550披露了一种通过减小需要表示一组多位码字的整体位尺寸的方式、将一组多位码字分裂为最高有效位(MSB)部分和最低有效位(LSB)部分，以及组合MSB部分和LSB部分，从而解决上述低效率的方法。不幸的是，如果如在高带宽、高保真度系统中所要求的，大数量码字将以此方式被处理，550专利的方法会要求高准确度乘法操作被执行。这是计算昂贵的，从而是不利的。
虽然以上示例涉及音频并且讨论到帧，更一般地，不同类型的媒体(例如，图像、 视频、遥测&音频)的特征在于(整体或部分)n个可能代码之一，其中，η是(基于带宽限制被可能地选择)的整数但不是2的幂，例如，η兴2k，其中，k是整数。类似地，一般在这样的情况下也出现低效率。


附图示出多个实施例，并且根据本发明解释多种原理和优点，其中，贯穿附图地， 类似参考数字指示相同或功能类似的要素，并且附图与以下详细说明一起被结合到并且形成说明书的一部分。图1是根据本发明的实施例的通信系统的框图；图2是在图1中所示的通信系统中使用的设备的发射机的框图；图3是在图1中所示的通信系统中使用的设备的接收机的框图；图4是用于对通过先前编码器生成的代码(例如，FPC代码)的最高有效位部分 (MSB)进行编码的算术编码器的流程图；图5是用于对表示由另一个编码器生成的代码(例如，FPC代码)的MSB的算术代码进行解码的算术解码器的流程图；图6是用于确定表示当通过有限精确度算法进行算术编码时要求的额外位的数量的算术编码器编码效率项的处理的流程图；以及图7是与阶乘脉冲编码组合地使用算术编码的音频编码方法的流程图。本领域技术人员将想到，图中的要素被示出用于简单和清楚的目的，并且不必须按比例绘制。例如，图中的一些要素的尺寸可以相对于其他要素被放大，以帮助改善本发明的实施例的理解。
具体实施例方式在描述根据本发明的详细实施例之前，将观察到，实施例主要在于关于编码器和解码器的方法步骤和装置组件的组合。从而，装置组件和方法步骤已经通过图中的传统符号在合适处被表示，仅示出关于理解本发明的实施例的那些特定详情，以不使对于具有在此的说明的益处的本领域普通技术人员而言显而易见的细节模糊本披露。在本文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等的关系术语可以仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必须要求或暗示这样实体或动作之间的任何实际这样的关系或顺序。术语“包括)”或其任何其他版本旨在覆盖非排他性包括，使得包括要素的列表的处理、方法、物件或装置不仅仅包括那些要素，并且可以包括未明确列出或这样的处理、方法、物件或装置固有的其他要素。在没有更多约束的情况下，之前为“包括...一个” 的要素不排除在包括要素的处理、方法、物件或装置中存在另外的相同要素。将理解，在此描述的本发明的实施例可以由一个或多个传统处理器，和唯一存储的程序指令来构成，该唯一存储的程序指令特定非处理器电路来控制一个或多个处理器来实现在此描述的编码器和解码器的一些、大多数或所有功能。非处理器电路可以包括但不限于无线电接收机、无线电发射机、信号驱动器、时钟电路、电源电路、以及用户输入设备。 同样地，这些功能可以解释为执行编码和解码的方法的步骤。可替换地，一些或所有功能可以通过不存储程序指令的状态机、或在一个或多个专用集成电路(ASIC)中实现，其中，每个功能或特定功能的一些组合被实现为定制逻辑。当然，可以使用两种方式的组合。从而， 在此描述了用于这些功能的方法或装置。而且，可以预期的是，虽然存在例如可用时间、当前技术和经济成本的考虑可能带来的大量努力以及很多设计选择，但是当由在此描述的概念和原理引导时，本领域普通技术人员能够容易地通过最少实验生成这样的软件指令和程序以及IC0图1是根据本发明的实施例的通信系统100的框图。通信系统100包括通过通信网络或对等信道106可通信地耦合的第一通信设备102和第N个通信设备104。通信设备 102、104中的至少一个包括发射机，并且通信设备102和104中的至少一个包括接收机。特定实施例提供双向通信，在该情况下，通信设备102、104包括发射机和接收机。图2是在图1中所示的通信系统中使用的设备102、104的发射机200的框图。发射机包括输入端202，其可以根据正被发送的信息的类型采用不同形式。在音频的情况下， 输入端202适当地采用麦克风的形式；在视频的情况下，输入端202适当地采用图像传感器的形式；以及在遥测的情况下，输入可以采用传感器的形式。输入端202连接至信号调节器204。信号调节可以例如包括模拟域滤波和/或放大。该信号调节器204连接至模数转换器(A/D) 206，其数字化从信号调节器204接收的信号。A/D 206耦合至数字滤波器208，其用于在数字域中执行附加滤波。数字滤波器耦合至第一级源编码器210。第一级源编码器210可以例如包括代数码激励线性预测(ACELP)编码器(其是一种类型的音频编码器)、改进型离散余弦变换 (MDCT)编码器(其可以应用至多种不同类型的信号)、或可以用作预编码器或预处理阶段的任何类型的信号编码器。现在，第一级源编码器将进入的数据正常地分割为离散块(诸如，规定持续时间的音频帧(对应于特定数量的采样)、或图像的小块)并且每次对这些块中的一个进行编码。(注意，这不排除关于先前帧或块的差分编码。)这里，在系统中，每个事物都被量化和离散化，使得存在用于每个离散块的有限数量的不同可能信号矢量。可以基于这样的实际考虑，将离散化和量化的分辨率设计为用于实现系统的数字信号处理器 (DSP)的寄存器的长度。第一级源编码器210的离散化和量化以及其他方面还适当地基于感知考虑，或者一般地说基于所发送的信号质量要求。在发射机200的远端，即，到信道的输出228，存在另一个约束，S卩，还必须被适应的最大信道带宽。实现信号质量考虑和可用带宽之间的很好平衡通常会导致得出源编码器210、212的设计，其中，可能信号矢量的数量可能碰巧不是2的整数幂(S卩，η兴2k，其中，η是可能信号矢量的数量并且k是任何整数)。在该通常情况下，如果发送k位码字以识别用于数据的每个离散块的η个可能信号矢量之一，则系统中是明显低效率的。在信息论中对于本领域技术人员来说明显的该低效率将产生，这是因为由于η <2k，所以k位整数(码字)的特定值决不被发送，但是虽然如此，所有k位仍然都要求被发送。在这种情况下，η个信号矢量的一个的k位码字表示被认为具有“非整数”长度。再次参考图2，将看到，第一级源编码器210耦合至阶乘脉冲编码器(FPC) 212。FPC 是可以产生k位码字以表示η位信号矢量的一种类型的编码器。在ffeimin Peng等人的美国专利No. 6，236，960中描述了早期阶乘脉冲编码器，其与本发明共同被转让。基础FPC通过建立所有可能信号矢量的排序，并且生成指向排序中的特定信号矢量的整数码字而进行运作。特定信号矢量的特征在于，非零位置、幅度和符号的特定唯一组合。从而，代替发送信号 ^ , 石马胃i^。g》“App￡ir￡itus and Method for Low Complexity Combinatorial Coding of Signals"的美国专利7，461，106提供改进的FPC，其使用在960专利中描述的组合功能的近似(approximation)，以减小编码和解码的计算成本。由于非整数长度码字导致的上述低效率在FPC 212的输出处持续。如当前描述的，低效率通过发射机的连续阶段的提供而被解决。阶乘脉冲编码器212耦合至MSB/LSB解析器214。MSB/LSB解析器214将从FPC 212接收的每个多位代码划分为最高有效位部分(MSB)和最低有效位部分(LSB)。分裂码字在这里是用于解决上述低效率的第一阶段。LSB部分可以采取所有可能值，从而这些位可以被更充分地利用。MSB可能不被充分利用，所以通过分裂开MSB和LSB，而在MSB中隔离低效率。根据本发明的可选实施例，代替FPC编码，使用另一种类型的组合编码和解码。当使用其他类型的组合编码和解码时，可以获得类似益处。根据本发明的可选实施例，从FPC接收的码字不是所有都具有相同长度(例如，k 位那么长)。在这种情况下，根据一个选择，被分组为MSB部分的位的数量是固定的，并且被分组为LSB的位的数量被允许改变。码字的长度可以改变的一个应用是音频通信系统，其中，第一级源编码器210分离地对独立音频频带进行编码，并且分配不同数量的用于每个的位。这是合理的，因为不同音频带基于它们覆盖的频率范围和/或它们包含的频谱能量， 对感知音频质量有不同影响。再次参考图2，可以看出，MSB/LSB解析器214耦合至多MSB缓冲器216和多LSB 缓冲器218。由于LSB部分被充分利用，这些可以被简单地连接在一起。例如，在音频应用中，可以将在一个音频帧周期期间从一组频带中的所有中推导的LSB部分连接在一起。多 LSB缓冲器218耦合至将多个LSB部分连接在一起的连接器(concatenator) 222。多MSB缓冲器216耦合至算术编码器220。在概念上，可以使用算术编码器将符号序列唯一地映射到范围0到1的特定子范围(可能性区域)。使用第一符号将(0，1]范围划分为等于不同符号值(例如，对于二进制为2)的数量的多个子范围。子范围的尺寸可以与相关符号值的可能性成比例(例如，零的机会为25%，并且1的机会为75% )。基于符号的身份(值)选择一个子范围。每个连续符号都用于进一步再分使用其前缀(在其前面的符号的子序列)识别的子范围。然后，落入每个子范围(例如，11，以表示3/4)的分数的二进制表示用作代码，以表示映射至子范围的符号序列。在名为“Arithmetic Encoding For CELP Encoders”(档案号CML07096)的共同待决专利申请序列号12Λ47，440中教导一种类型的算术编码器。在该情况下，音频数据被减小为二进制序列，即，每个符号是0或1 的序列。本发明中使用的算术编码器220更加复杂，因为符号是整数值并且可以在从0至
第i个MSB部分的最大值的范围内。在这种情况下，除了每个符号被使用以将先前范围(或子范围)划分为两个子范围之外，每个符号被使用以将先前范围(或子范围)划分为GiMX个子范围。算术编码器的流程图在图4中示出并且在以下描述。算术编码器220的输出是表示从多MSB缓冲器216接收的MSB部分的序列的代码(“算术代码”)。再次参考图2，可以看出，算术编码器220和连接器22耦合至分组装配器224。分组装配器2M耦合至信道编码器226，其进而耦合至到信道的输出228。诸如频谱带能量的其他信息也可以提供给分组装配器。图3是在图1中所示的通信系统中使用的设备102、104的接收机300的框图。由发射机300发送的分组在信道302的输入处被接收，其耦合至信道解码器304，其进而耦合至解析器306。分组解析器306耦合至n-LSB寄存器312和算术代码寄存器308。分组解析器306提取连接的LSB，并且将它们递送至n-LSB寄存器312。分组解析器306还提取算术代码并且将其递送至算术解码器310。算术解码器310耦合至n-MSB寄存器314。算术解码器310对编码进行逆转，并且将MSB部分的序列输出至n-MSB寄存器314。算术解码器 310的流程图如图5中所示并且在以下描述。n-LSB寄存器312和n-MSB寄存器314耦合至多路复用器316。多路复用器316 耦合至FPC寄存器。多路复用器316重新关联相应的MSB和LSB，以重新组成完整的FPC码字，其被传送至阶乘脉冲代码寄存器318。FPC寄存器318进而耦合至阶乘脉冲解码器320。 阶乘脉冲解码器320重新构成第一级源编码器210的编码输出，并且将其递送至第一级源解码器322，其重新构成原始信息(例如，音频、图像数据)。第一级源解码器322耦合至数模转换器(D/A)3M，其进而耦合至输出326(例如，显示器、音频扬声器)。图4是用于对由先前编码器(例如，阶乘脉冲编码器)输出的代码的MSB部分进行编码的算术编码器220的流程图。在框402中，索引i、索引j、变量χ、变量y、以及变量 rl、变量η和变量n-tilda被初始化。识别MSB部分的序列中的MSB部分的变量i被初始化为0，以指向序列中的第一MSB部分。指向将由算术编码器310产生的码字中的连续位的变量j被初始化为-2(不使用前两个代码位)。表示算术代码空间范围中的位置的变量χ 被初始化为0。作为表示子范围的宽度的重定比例(re-scalable)变量的变量y被初始化为T。概念上，代码空间可以被认为是范围(0，1]，但是实际上代码空间被表示为0-2w。W 还有效地是对应于由算术编码器310使用的算术的精确度的精确度参数。虽然W在图4-6 中所示的流程图中是固定的，但是可替换地，可以对于每个第i个符号独立地设置W。RI运行长度变量被初始化为0。η被初始化为GiMX，i被设置为其初始值0。Gimx是第i个MSB 部分的最大值。MSB部分根据第一级源编码器210的设计而具有不同最大值。例如，为对不同频带编码分配的不同位可能导致GiMX的不同值。n-tilda被初始化为Gi,第i个MSB的实际值。在框402之后，判决框404是测试将被编码的所有MSB部分是否已被处理的循环终止标准。如果结果是否定的(意味着更多MSB部分将被处理)，则流程继续至框406。框 406中的第一步骤是计算下一个子范围尺寸。下一个子范围尺寸是由Gi (第i个MSB部分) 和第i个MSB部分的最大值)的值(在这里分别由n-tilda和η表示)确定的先前子范围尺寸的分数(fraction)。用于计算子范围的尺寸的公式是
权利要求
1.一种对信息进行数字编码的方法，包括 把要被编码的数字信息块划分为多个子部分；确定用于所述多个子部分的基于优先级的排序，并且根据所述基于优先级的排序按顺序处理所述多个子部分；对于所述多个子部分的至少一个子集的每个第K个子部分确定用于表示所述第K个子部分的初始位分配；确定不等于所述初始位分配并且实际上能够用于在第一编码方案中表示所述第K个子部分的位的第一合理数量；至少部分地基于所述初始位分配和所述位的第一合理数量确定剩余位的数量； 按照顺序在所述基于优先级的排序的所述第K个子部分和超出所述第K个子部分的子部分中重新分配位，将所述第K个子部分的所述初始位分配调节成所述位的第一合理数量；以及至少使用所述第一编码方案对所述第K个子部分进行编码，以产生第K个第一类型代码。
2.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述初始位分配基于与所述第K个子部分的信息内容相关的测量而被建立。
3.根据权利要求2所述的对信息进行数字编码的方法，其中，与信息内容相关的所述测量至少部分地基于信号能量。
4.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中，确定用于所述子部分的所述基于优先级的排序包括至少部分地基于所述子部分中的能量的测量，确定所述基于优先级的排序。
5.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述优先级排序基于量化将被编码的信息的量的所述第一编码方案的整数参数。
6.根据权利要求5所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述第一编码方案是组合编码方案，并且所述整数参数是用于对所述多个子部分中的每个子部分进行编码的脉冲幅度量子的数量m。
7.根据权利要求5所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述优先级排序基于度量 Iog2 (N (n, m+1)) -Iog2 (N (η, m))，该度量 Iog2 (N (η, m+1)) -Iog2 (N (η, m))用于量化 m 增加 1时如何增加分数位尺寸，其中，N(n, m)还对应于所述组合编码方案中的可能脉冲组合的数量。
8.根据权利要求7所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述组合编码包括阶乘脉冲编码。
9.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述位的第一合理数量小于用于所述第K个频带的所述位的初始分配，并且重新分配包括将所述剩余位的数量重新分配给所述排序中超出所述第K个子部分的其他子部分。
10.根据权利要求9所述的对信息进行数字编码的方法，其中，按照从最低优先级到最高优先级的顺序处理所述子部分。
11.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述位的第一合理数量大于用于所述第K个频带的所述位的初始分配，并且重新分配包括将最初分配给除了所述第K个频带之外的频带的一个或多个位添加至所述第K个频带。
12.根据权利要求11所述的对信息进行数字编码的方法，其中，按照从最高优先级到最低优先级的顺序处理所述子部分。
13.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中确定剩余位的数量包括至少部分地基于第二编码方案的编码效率来确定剩余位的数量；以及所述方法进一步包括使用所述第二编码方案对所述第K个第一类型代码的至少一部分进行编码，以产生第二类型代码。
14.根据权利要求13所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述第K个第一代码的所述至少一部分包括所述第K个第一类型代码的最高有效位部分。
15.根据权利要求14所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述第二编码方案包括算术编码。
16.根据权利要求15所述的对信息进行数字编码的方法，其中，所述第一编码方案包括组合编码。
17.根据权利要求1所述的对信息进行数字编码的方法，其中，确定所述位的第一合理数量包括确定基于对应于具有m个脉冲量子的不同可能脉冲配置的数量(N)的脉冲配置而总计的脉冲量子的最大值(m)，其中，所述最大数量N能够通过不大于所述初始位分配来表不。
18.—种对信息进行数字编码的方法，包括 将信息块划分为多个子部分；执行位到所述多个子部分的第K个子部分的初始分配； 计算用于编码所述第K个子部分的算术编码效率；至少部分地基于所述算术编码效率来调节位到所述第K个子部分的所述初始分配，以获得用于所述第K个子部分的调节的位分配；以及使用用于所述第K个子部分的所述调节的位分配，对所述第K个子部分进行编码。
19.根据权利要求18所述的对信息进行数字编码的方法，其中，调节所述位的初始分配的所述步骤进一步包括确定组合编码方案的合理整数参数，并且确定对应于所述合理整数参数的位要求；以及部分地基于对应于所述合理整数参数的所述位要求，调节所述初始分配；以及其中，所述编码的步骤包括使用所述组合编码方案进行编码。
20.一种对信息进行数字编码的方法，包括 将信息块划分为多个子部分；执行位到所述多个子部分的第K个子部分的初始分配； 对于每个第K个子部分确定在使用小于用于所述第K个子部分的位分配时能够使用阶乘脉冲编码而被编码的脉冲幅度量子的最大数量m ；确定对应于脉冲的所述最大数量的位的数量；确定使用算术编码对先前子部分和所述第K个子部分的阶乘脉冲编码代码的至少一部分进行编码所需的额外位的数量，并且；将所述额外位的数量加至对应于脉冲的所述最大数量的所述位的数量，并且比较得到的总数与用于所述第K个子频带的所述位的初始分配； 当所述得到的总数超过所述初始分配时递减脉冲的所述最大数量并且重新确定对应于脉冲的所述最大数量的位的数量； 当所述得到的总数小于所述初始分配时使用阶乘脉冲编码对所述第K个子部分进行编码，以获得第K个阶乘脉冲代码； 使用算术编码对所述第K个阶乘脉冲代码的至少一部分进行编码；以及将阶乘脉冲编码和算术编码之后剩余的位重新分配给剩余子部分。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括对所述子部分重排序，并且根据所述重排序按顺序对所述子部分进行编码。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述重排序基于关于所述子部分的信息内容的测量。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，关于所述子部分的信息内容的所述测量基于信号能量。
全文摘要
一种编码器/解码器架构(200，300，700)，其使用算术编码器(220)对阶乘脉冲编码器(212)的输出的MSB部分进行编码，算术编码器(220)对例如MDCT的第一级源编码器(210)的输出进行编码。信号的部分(例如，帧)的子部分(例如，频带)基于与信号能量相关的测量(例如，信号能量本身)，以递增顺序被适当地分类。在覆盖对阶乘脉冲编码进行算术码编的系统(100)中这样做，导致位被重新分配给具有较高信号能量含量的频带，最终产生更高信号质量和更高位利用效率。
文档编号G10L19/10GK102577132SQ201080042599
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年10月28日
发明者乌达·米塔尔, 詹姆斯·P·阿什利 申请人:摩托罗拉移动公司