技术领域
[0001] 本
发明涉及音频传输和音频编
解码器的领域。特别地，本发明涉及具有低时延和高抗丢包性的高
质量数字
音频信号的无线传输的领域，例如用于现场表演中来自麦克
风和
乐器的音频信号。
背景技术
[0002] 诸如
耳机、麦克风和监听扬声器的实时双向音频应用通常需要具有最小时延的通信系统。当期望具有有限比特速率的数字传输，例如用于无线传输时，对音频编码方案的限制是严格的。对于此类应用，基于自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)的抽样编码方案可提供显著的低延迟。然而，无线传输系统容易遭受传输错误和数据丢失。音频编码方案必须以适当的方式处理此类事件，并尽可能将干扰最小化。
[0003] 当前，通常的做法是通过使用的压缩
算法来接受更长的时延。通过使用较少的压缩(即每个抽样具有更多的比特位)，，会获得相对差的质量(即在给定比特速率下的SNR较小)，，并且承受由丢包引起的更多伪像。
发明内容
[0004] 因此，根据以上描述，本发明的目的是提供一种用于对
输入信号进行编码的方法，该方法既对诸如无线传输之类的不完美传输具有可靠性，又具有低延迟。
[0005] 在第一方面，本发明提供了一种用于对数字输入信号进行编码的方法，该方法包括
[0006] -将自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)编码算法应用于数字输入信号的时间
块，该ADPCM编码算法涉及根据量化器的自适应量化和根据预测器的预测，并相应地生成ADPCM数据位，
[0007] -生成表示自适应量化的内部值的至少一个数据位，以及
[0008] -生成包括表示自适应量化的内部值的所述至少一个数据位和ADPCM数据位的数字数据块。
[0009] 这种方法允许例如数字音频信号的低时延压缩，并且本方法在处理与无线传输有关的数据块丢失方面，同时具有鲁棒性，例如以在传输错误或数据块丢失的情况下获得最小的听觉伪像。由于包括在数据块中的附加数据，该方法允许将相应的内部自适应量化值适应为在解码器侧的数据块中表示的值，从而允许在传输错误或处理听觉伪像最少的数据块完全丢失之后更快地进行适配。可以在每个数据块中使用最少的额外比特位来获得这种效果，例如包括在ADPCM数据块中作为报头，因此可以有效地提高例如进行现场表演的无线麦克风或无线乐器发射机的性能。
[0010] 在进一步改进的
实施例中，可以以表示ADPCM编码的预测部分的内部值的数据的形式(例如，通过包括预测
滤波器系数)，将附加信息添加到数据块，解码器可以在传输错误之后更快地适应并防止滤波器不稳定问题和/或允许使用
泄漏较少的预测滤波器。
[0011] 在下文中，将描述本发明的优选特征和实施例。
[0012] 表示自适应量化的内部值的至少一个数据位可以特别地表示自适应量化的内部值的对数编码形式，例如，自适应量化内部值的log2编码。特别地，至少一个数据位可以表示自适应量化的内部值的对数编码形式的截短的形式，诸如形成自适应量化的一部分的比例因子。例如，与自适应量化的包络估计器有关的比例因子。
[0013] 表示自适应量化的内部值的至少一个数据位可以包括4至12比特，例如，每个数据块中有8比特。
[0014] 预测可以涉及基于
有限脉冲响应滤波器，优选为点阵有限脉冲响应滤波器的预测器，其中该有限脉冲响应滤波器具有多个有限脉冲响应滤波器系数。
[0015] 该方法还可以包括：生成表示自适应差分脉冲编码调制编码算法的预测的内部值的至少一个数据位；以及生成包括表示自适应量化的内部值的所述至少一个数据位，表示预测的内部值的所述至少一个数据位和自适应差分脉冲编码调制数据位的数字数据块。特别地，在预测部分中具有格型FIR滤波器的实施例中，至少一个数据位可以表示所述有限脉冲响应滤波器系数中的至少一个的截短的形式。特别地，表示预测的内部值的至少一个数据位以复用的方式被包括在数字数据块的流中。具体地，每个数字数据块可以包括响应于多个FIR滤波器系数中的一个的截短的形式而生成的数据位。尤其是，每个滤波器系数可以被截短为4至12个最高有效比特，例如8个最高有效比特。
[0016] 该方法可以由具有定点处理器架构的处理器执行。为此用途，该方法可以包括在应用ADPCM编码算法之前将抖动噪声添加到数字输入信号。
[0017] 该方法可以包括发送表示为无线
射频信号，诸如DECT、蓝牙、蓝牙LE、WiFi、2.4GHz ISM频带、5.8GHz ISM或数字UHF无线信号的数字数据块。
[0018] 应当理解，该方法优选地包括：对数字输入信号的连续时间块进行编码，并相应地生成连续数字数据块，每个连续数字数据块包括至少一个表示自适应量化的内部值的数据位和ADPCM数据位，从而允许低时延的无线实时
音频流。
[0019] 已经发现该方法非常适合于音频，因此在一个实施例中，数字输入信号是数字音频信号。
[0020] 在第二方面，本发明提供了一种用于根据ADPCM解码算法对ADPCM编码的
数字信号进行解码的方法，该ADPCM解码算法涉及根据量化器的自适应量化和根据预测器的预测，该方法包括
[0021] -接收数字数据块，该数字数据块包括：表示ADPCM编码算法中涉及的自适应量化的内部值的至少一个数据位和ADPCM数据位，
[0022] -在检测到所述内部值与由至少一个数据位表示的值之间的差大于预定
阈值的情况下，根据所接收到的表示ADPCM编码算法中涉及的自适应量化的内部值的至少一个数据位，来调节ADPCM解码算法中涉及的自适应量化的内部值，以及
[0023] -根据接收到的ADPCM数据位生成数字
输出信号。
[0024] 利用在解码器侧接收到的表示ADPCM编码的内部值的至少一个数据位，可以减少误差的影响，例如，如果数据块是通过无线射频传输信道接收的。优选地，该方法包括：接收其中表示有数字数据块的无线射频信号；以及检测是否接收到有错误的数据块。如果检测到已经接收到有错误的数据块，则可能优选地将自适应量化涉及的自适应反量化器的输出(去量化码本的输出)设置为零。此外，或者替代地，如果检测到已经接收到有错误的数据块，则可能优选的是在预测器中调节泄漏，诸如将预测器中的泄漏设置为零。
[0025] 在第三方面，本发明提供了一种
编码器设备，其包括编码器，该编码器被设置为根据根据第一方面的方法对数字输入信号进行编码并生成数字数据块。特别地，编码器设备可以包括无线射频发送器，该无线射频发送器被设置为发送表示由编码器生成的数字数据块的射频信号。编码器和无线射频发射器可以设置在同一壳体内或作为单独的组件设置。
[0026] 在第四方面，本发明提供了一种解码器设备，其包括解码器，该解码器被设置为根据第二方面的方法对接收到的数字数据块进行解码。特别地，解码器设备可以包括无线射频接收器，其被设置为接收表示数字数据块的射频信号。解码器和无线射频接收器可以设置在同一壳体内或作为单独的组件设置。
[0027] 在第五方面，本发明提供一种系统，该系统包括
[0028] -编码器，其被设置为根据根据第一方面的方法对数字输入信号进行编码并生成数字数据块，
[0029] -无线射频发射器，其设置成发送表示由编码器生成的数字数据块的射频信号，[0030] -无线射频接收器，其设置成接收表示由编码器生成的数字数据块的射频信号，以及
[0031] -解码器，其设置成根据根据第二方面的方法对接收到的数字数据块进行解码。
[0032] 特别地，该系统可以包括音频源，诸如麦克风，其被设置为根据声学输入生成数字输入信号。
[0033] 在第六方面，本发明提供了一种具有指令的
计算机程序产品，该指令在被执行时使包括处理器的计算设备或系统执行根据第一方面的方法。
[0034] 在第七方面，本发明提供了一种具有指令的计算机程序产品，该指令在被执行时使包括处理器的计算设备或系统执行根据第二方面的方法。
[0035] 所提到的计算机程序产品可以是：专用设备的程序产品，或通用计算机的独立
软件产品。应当理解，程序代码形式(例如以可编程设备的可下载应用程序的形式)的计算机程序产品指令可以在任何处理平台上实现，例如专用音频设备、计算机设备中的通用处理器。
[0036] 特别地，第六和第七方面的计算机程序产品可以存储在计算机可读介质上或存储在
电子芯片中。例如，程序代码可以在
中央处理器单元、数字
信号处理器或现场可编程
门阵列中实现。
[0037] 本发明所有方面的应用领域诸如：无线耳机(例如游戏耳机)、无线麦克风(例如舞台麦克风)、无线线路扩展器或
接口(例如用于乐器)、无线扬声器、无线对讲机系统。
[0038] 应当理解，针对第一方面描述的相同优点和实施例也适用于第二、第三、第四、第五、第六和第七方面。此外，应当理解，所描述的实施方式可以在所有提及的方面之间以任何方式混合。
附图说明
[0039] 现在将相对于附图更详细地描述本发明。
[0040] 图1示出了编码方法实施例的简单
框图，
[0041] 图2示出了编码算法的实施例，
[0042] 图3示出了解码算法的实施例，
[0043] 图4示出了数字数据块格式的示例，
[0044] 图5示出了无线音频
信号传输实施例的步骤。
[0045] 附图示出了实施本发明的特定方式，并且不应解释为限制落入所附
权利要求书范围内的其他可能的实施方式。
具体实施方式
[0046] 图1以简单的形式示出了根据本发明的用于对数字输入信号A_I(例如数字音频信号)进行编码的ADPCM编码方法实施例的框图。将数字输入信号A_I的时间块应用于自适应差分脉冲编码调制ADPCM编码算法，该算法涉及根据量化器的自适应量化ADQ和根据预测器的预测PR。作为响应，生成ADPCM数据位APM，这些数据位APM允许解码器解码数据位APM并作为响应生成数字输入信号的副本。此外，该编码方法包括产生至少一个数据位QB，该数据位QB表示自适应量化ADQ的内部值。更进一步，该编码方法包括生成至少一个数据位CFB，该数据位CFB表示ADPCM算法的预测PR的内部值。
[0047] 因此，除了ADPCM数据位APM本身之外，还生成表示编码算法的内部值的附加数据位QB、CFB，并且所有这些数据QB、CFB、APM都包括在数字数据块(虚线框)中，然后输出数字数据块到例如将数据块发送到解码器的无线射频发射机。
[0048] 表示编码算法内部值的这些额外数据位QB、CFB使解码器可以通过将最后接收的内部值用作解码算法中的相应自适应量化和预测中的对应内部值的最佳估计，更好地适应传输错误或数据块丢失。因此，在传输错误和/或数据块丢失的情况下，可以在解码器侧来再现具有较少的伪像的数字输入信号A_I。
[0049] 因此，这样的ADPCM编码/解码方案提供了数字传输系统要携带的低比特速率，并且在不美的无线传输系统上传输时，解码器仍然可以在没有严重的伪像的情况下，可靠地重建输入信号。
[0050] 图2示出了具有四个主要组件的特定编码器实施例：自适应量化器、自适应反量化器、预测器和噪声整形滤波器。特定的编码器适用于编码高质量的数字音频输入信号A_I，例如在48kHz
采样频率下为24比特。但是，应当理解，该设计也可以用于其他输入信号。
[0051] 自适应量化器输出编码器输入信号和预测器LPR输出之间的差。该差在量化器Q中被量化，并减小到用于在传输系统中传输的较低的比特速率，即ADPCM数据位APM。该低比特速率数据也被馈送到自适应反量化器，即反量化码本DQ。反量化器的输出被反馈并添加到预测器的输出。这两个信号的总和构成了输入信号的重构，其被馈送到预测器以处理下一个输入信号。自适应量化器和自适应反量化器具有自适应比例值和用于查找和量化的码本DQ。自适应比例值是反量化器输出包络的滤波后的估计，即，来自包络估计器EE的输出。根据所需的编码比特速率和质量，可以使用不同的码本DQ大小。该码本优选地具有2到16个条目，对应于从1到4比特音频采样的不同编码率。
[0052] 除了ADPCM数据位APM以外，在自适应量化中使用的自适应反量化比例因子，即来自包络估计器EE的输出，由编码器L2使用log2进行编码并被进一步截短。然后，将来自ADPCM编码算法的自适应量化部分的该编码和截短的比例因子QB与ADPCM数据位APM(例如，在数据块的报头部分中)一起输出到输出流中。该内部数据QB可以是例如4-16比特，并且例如8比特适用于高质量音频信号。
[0053] 预测器包括对音频信号的确定部分建模的格型(lattice)FIR类型的自适应滤波器LPR。FIR滤波器LPR可以具有例如2-40个抽头，例如8-20个抽头，在特定的实施例中，其具有13个抽头。FIR滤波器LPR可以实现渐进抽头泄漏。通过使用梯度自适应格型算法GAL来执行自适应。预测器的输出被反馈并从输入中减去至自适应量化器。因此，理想地，自适应量化器的低比特速率输出仅包含音频信号的不确定部分。输入信号和重构信号之间的差是由编码方案引入的编码误差。
[0054] 当预测器滤波器LPR已适应音频信号时，编码错误将接近白噪声。通过一个用于对编码噪声进行
频谱整形以降低可听度的附加滤波器该编码错误被反馈到编码器输入。该噪声整形滤波器具有静态部分H_s和自适应部分H_a。静态滤波器H_s将噪声
能量从频谱的下部移位到频谱的上部，而自适应滤波器H_a对噪声的频谱进行整形，使其与输入信号的频谱相似。该噪声整形滤波器的自适应部分H_a中的滤波器系数是从预测器自适应滤波器LPR导出的，其表示重构的音频信号的频谱。
[0055] 除了来自ADPCM编码算法的自适应量化部分的附加内部值QB之外，其他内部数据也包含在来自编码器的数据流中，即表示预测滤波器LPR的FIR滤波器系数的数据CFB。为了限制这些数据所需的带宽，系数被截短Tr，并且它们可以被顺序地传输，例如每个数据块一个系数，从而以多路复用的方式传输FIR滤波器系数，确保长度为X滤波器可以凭借X个或更多个连续数据块来进行完全传输的。因此，在特定的编码实施例中，一个数据块包括来自自适应量化的内部值QB以及来自格型预测FIR滤波器LPR的一个FIR系数CFB。系数通常被截短Tr为4至12个最高有效比特。对于点阵FIR滤波器型LPR，可以截短到8个最高有效比特，而又不会损失太多
精度。
[0056] 当以有限精度执行编码器计算(例如定点实现)时，在编码算法中进行进一步处理之前，将弱白噪声抖动信号DN添加到输入信号A_I，以确保编码器的正确和线性行为。
[0057] 可以以不同的包大小和开销比率来配置和使用编码/解码。可以获得每个样本压缩为4、3.6、3.33、3、2.6、2或1.66比特的不同码本大小。
[0058] 图3示出了与图2的编码算法匹配的解码算法，并且因此被设置为从编码器接收包括数据QB、CFB和APM的数据块，并相应地生成重构的输出信号A_O。当然，解码器被设置为通过对数据QB进行E2解码(即，exp2解码)，以获得作为输入到包络估计器EE的比例因子。此外，对单个FIR滤波器系数进行顺序处理PS，作为对预测gexFIR滤波器LPR的输入。
[0059] 解码算法包括自适应反量化器和预测器。传入的低速率位APM被馈送到自适应反量化器，该自适应反量化器的输出将以与编码器相同的方式和预测器输出相加。该和构成来自解码器的重构的输出信号，并且被馈送到预测器以对下一个音频样本进行解码。
[0060] 由于编码器和解码器中的自适应反量化器以在低比特速率数据APM的相同顺序运行，它们将输出相同的信号，编码器和解码器中的预测器自适应滤波器LPR也将产生相同的信号，并且编码器和解码器中的信号和重构信号将相同。
[0061] 如果假设相同的开始条件并且没有从编码器到解码器的传输错误，则在编码器和解码器中，所有来自反自适应量化器和预测器的内部状态和产生的信号将是相同的。但是，如果编码器和解码器从不同的状态启动，或者发生了传输错误，则编码器和解码器中的自适应反量化器和预测器将不会具有相同的状态，并且不会产生相同的重构信号。由于来自预测器的反馈，所有后续样本的差异将继续存在。为了确保解码器中的重构信号收敛到编码器中的相应信号，在编码器和解码器中的自适应算法中增加了泄漏。自适应反量化器向共同的比例值的添加了较小的偏差。在预测器自适应滤波器中，可以在自适应算法GAL中引入小于1的比例因子。泄漏的引入降低了预测器的预测精度，并增加了编码误差并降低了编码器和解码器的性能。较大的泄漏会减少传输错误后直到解码器输出具有已经收敛的编码器输入信号的时间，但同时也会增加编码错误。为了避免过多降低音频质量，期望使用较小的泄漏。但是，小的泄漏会增加数据丢失后直到输出音频恢复的时间。当使用较小的泄漏时，即使有限字长实现的量化效果也可能导致限制循环不
稳定性和非线性。
[0062] 为了对小的泄漏的理想使用进行补偿，可以使用给出关于预测器中的自适应反量化器和自适应滤波器的重要状态的信息的附加数据QB、CFB。重要的状态是自适应反量化器中使用的比例因子和预测器中的格型FIR滤波器LPR中的滤波器系数。因此，利用在数据流中可用的以QB和CFB进行编码的这些数据，可以减少上述泄漏，从而提高编解码器的性能。
[0063] 图4示出了要通过无线链路发送的数据块的示例。每个ADPCM数据块都有一个报头，报头具有编码(log2)和截短形式的比例因子，该比例因子是编码器中自适应量化的内部值，例如：长度为8比特。此外，在报头中添加了一个截短的预测器FIR滤波器系数的系数Coef[x]，例如截短为8个最高有效比特。截短系数Coef[x]通常顺序地附加，每个数据块一个。在几个数据块之后，所有截短的滤波器系数，例如13，已被传送。总之，自适应量化器的截短的比例因子，截短系数和低比特速率数据以数据块或数据包的形式发送，该数据块或数据包还包括完整性校验信息，例如CRC。截短的自适应量化器比例因子和系数信息表示解码器处理ADPCM数据之前的状态值。
[0064] 无线
数据接收器可以检查接收到的数据包的完整性。如果数据包中有错误，则指示自适应反量化器DQ产生零输出。在这种情况下，重构的输出信号与预测器的输出相同。另外，可以在丢失数据的时间段期间移除预测器中的泄漏，以最小化丢失数据包对解码输出的影响。
[0065] 当无线接收器无误地接收到数据包时，将截短的量化器比例因子和滤波器系数提供给解码器。如果解码器的自适应反量化器比例值和预测器滤波器系数的内部状态值相差超过截短定义的它们的
分辨率，则在解码处理开始之前将状态值设置为截短值，即基于QB、CFB数据，指示的值。这种方法可确保在生成低比特速率数据时，自适应反量化使用的比例值与编码器使用的值非常接近。这对于避免在一系列丢失的数据包之后接收到数据时避免明显可听见的咔哒声非常重要，并且可以快速恢复解码后的音频。同样，设置预测器滤波器系数可确保丢失数据结束后更快地自适应。因此，解码算法优选地包括将其当前内部值与接收到的匹配的附加数据QB、CFB进行比较，并且如果检测到大于预定阈值的差则调整其内部值。
[0066] 这种方法的好处还在于，通常不需要用于软静音和取消静音以用于处理数据包丢失的附加功能。
[0067] 图5示出了用于传输数字音频信号的方法实施例的步骤。该方法包括接收数字音频信号R_AI。然后，通过ADPCM编码算法对音频信号进行编码，并生成G_APM作为ADPCM编码位的结果。此外，该方法包括生成指示内部值(例如ADPCM编码算法的自适应量化部分的比例值)的G_QB数据位。接下来，步骤是无线传输WT_DB一个数据块，该数据块既包含ADPCM编码位，又包含指示ADPCM编码算法的自适应量化部分的内部值的数据位。接下来，无线接收器WR_DB接收数据块。在解码器侧，下一步骤是如果解码器中当前对应的比例因子值与接收到的比例值之间的差大于预定阈值(例如：在数据块丢失的情况下)，则响应于指示内部值的数据位(例如，ADPCM解码算法的自适应量化部分的比例值)，调整ADPCM解码算法的自适应量化的比例因子。接下来解码DEC_APM接收到的ADPCM数据位以运行编码算法并且相应地生成G_AO音频输出信号。
[0068] 综上所述，本发明提供了一种音频编解码器，该音频编解码器适用于仍以中等比特速率，以低时延进行高质量音频的可靠无线传输。编码和解码方法基于ADPCM，并且除了已编码的输出位APM之外，输出数据块中还包括其他数据QB，即表示ADPCM编码算法的自适应量化ADQ的内部值的数据QB，尤其是编码和截短为8比特的比例因子。此外，输出数据块优选地包括表示ADPCM编码算法的预测器PR的内部值的数据CFB，尤其是表示可以被截短为例如8比特的格型预测FIR滤波器的系数的数据CFB，可以被顺序地包括在输出数据块中。这些关于ADPCM编码算法的中间数据的附加数据QB、CFB与可以在编码器侧利用，以提高抵抗无线传输中数据块丢失的鲁棒性。特别地，解码算法可以包括比较其当前的内部ADPCM解码值，该值对应于从编码器接收到的内部值QB、CFB，并且在存在差异的情况下，解码器可以将其内部值适应或重写为接收到的QB、CFB。这有助于确保在丢失数据块之后快速恢复，从而确保抵抗重构信号中的伪像(例如音频中的咔哒声)的鲁棒性。
[0069] 尽管已经结合
指定的实施例描述了本发明，但是不应以任何方式将其解释为限于所呈现的示例。本发明的范围将根据所附的权利要求书来解释。在权利要求的上下文中，术语“包括”不排除其他可能的元件或步骤。而且，提及诸如“一种”或“一个”等的引用不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中指示的元件的参考符号的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，可以有利地组合不同权利要求中提到的单个特征，并且提及在不同权利要求中的这些特征并不排除特征的组合是不可能和有利的。
