專利名稱：針對采樣值自動確定屬于碼字的值范圍邊界的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種方法，在該方法中采樣值的整個值范圍被劃分為多個原始值范圍(Ursprungswertebereiche)。碼字分別被分配給每個原始值范圍。
采樣值例如在連續(xù)信號、例如語音信號或圖像信號的時間采樣中產(chǎn)生。例如在語音信號的采樣中產(chǎn)生0.7V的采樣值。
將原始值范圍分配給碼字可以借助所謂的量化特性曲線來圖形表示。量化特性曲線用圖形再現(xiàn)采樣值和量化值或碼字的關聯(lián)。因為多個采樣值被分配給一個起始值或一個碼字，所以該量化特性曲線是成階梯形的。例如0V至0.2V范圍內的采樣值被分配給二進制碼字“0001”。
使用線性量化特性曲線和非線性量化特性曲線，其中與使用線性量化特性曲線相比，在使用非線性量化特性曲線時出現(xiàn)更小的量化誤差并且由此出現(xiàn)更小的干擾。量化特性曲線與x軸的交點位于量化特性曲線的水平線上或垂直階躍線(Sprunglinie)上。
具有非線性量化特性曲線的量化尤其可以這樣進行-通過使用非線性量化特性曲線，-通過使用線性量化特性曲線以及采樣值的在先的非線性變換，或者-在生成中間碼字的情況下通過具有與在隨后傳輸時的不同碼字的數(shù)目相比更大的量化級數(shù)目的線性量化，其中接著根據(jù)中間碼字通過非線性二進制換算確定要傳輸?shù)拇a字。
本發(fā)明的任務在于說明一種用于針對采樣值自動確定屬于碼字的值范圍邊界的簡單方法，其中該方法尤其應該能夠實現(xiàn)具有小的量化誤差和小的干擾的量化。此外還將說明一種設備，利用該設備尤其可以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
本發(fā)明從以下考慮出發(fā)，即迄今在選擇量化特性曲線時在線性量化特性曲線的情況下或者在非線性量化特性曲線的情況下沒有適應性地考慮采樣值的分布密度。然而采樣值的分布密度依賴于時間。統(tǒng)計分布密度也可以以簡單的方式來測定并且用于適應性方法。
如果例如大多數(shù)采樣值x(i)位于范圍-2＜x＜+2中，其中i說明采樣時刻，則該值范圍應該配備小的量化步長。而位于該范圍之外的范圍x＜-2和x＞+2應該更粗地被量化，即在這些范圍內被分配給一個碼字的值范圍應該具有這樣的范圍邊界，與針對位子具有小的量化步長的范圍內的碼字的值范圍的范圍邊界相比，這些范圍邊界在線性的數(shù)值標度(Zahlenskala)上彼此更加遠離。
因此在根據(jù)本發(fā)明的方法中除了開頭所提及的方法步驟之外執(zhí)行以下方法步驟-針對一個采樣間隔的采樣值、例如針對該采樣間隔的所有采樣值或者針對該采樣間隔的有代表性的采樣自動測定位于原始值范圍內的采樣值的數(shù)目，-根據(jù)所測定的數(shù)目自動確定改變后的值范圍的邊界，以及-自動將碼字分配給該改變后的值范圍。
通過這種處理方式，簡單地實現(xiàn)量化分辨率與采樣值在值范圍或碼字上的統(tǒng)計分布的匹配。在利用這樣生成的量化特性曲線進行量化時的信噪比(Signal-Rausch-Abstand)是小的。量化特性曲線例如周期性地被更新，其中根據(jù)要采樣的信號的變化曲線來選擇周期持續(xù)時間、特別是恒定的周期持續(xù)時間或者值自適應地匹配于要采樣的信號的周期持續(xù)時間。替代地或附加地，量化特性曲線也可以根據(jù)預先給定的事件的出現(xiàn)、例如在檢測到語音暫停或者在檢測到要傳輸?shù)男盘柕囊粽{變化時來更新。
在一種改進方案中，根據(jù)針對原始值范圍所測定的采樣值數(shù)目確定改變后的值范圍的至少一個值范圍邊界，其中該值范圍邊界的值位于原始值范圍中。換句話說，原始量化特性曲線的水平線被分為兩個通過階躍分開的水平線或者被分為多個分別通過階躍彼此分開的水平線，以便提高在以所考慮的采樣間隔出現(xiàn)非常多的采樣值的范圍內的采樣分辨率。
在一種替代的改進方案中，根據(jù)所測定的采樣值數(shù)目，整個原始值范圍成為改變后的值范圍的一部分，該改變后的值范圍大于該原始值范圍并且被分配給唯一的碼字。換句話說，原始值范圍的值范圍邊界被去除，而無需為此確定改變后的值范圍的一個值范圍邊界或多個值范圍邊界。因此，所涉及的特性曲線段中的量化分辨率被降低。
在下一改進方案中，針對所有原始值范圍執(zhí)行該方法，使得整個量化特性曲線被更新。在一種擴展方案中，在此所有原始值范圍按它們被布置在整個值范圍中的順序、例如隨著增大的下邊界值被處理。
在下一改進方案中，栗樣間隔中的采樣值的數(shù)目等于原始值范圍的數(shù)目或者等于原始值范圍的數(shù)目的整數(shù)倍。在第一種情況中，在插入階躍時，要插入的階躍的數(shù)目與采樣值在所涉及的原始值范圍中出現(xiàn)的數(shù)目一致。當在原始值范圍中沒有出現(xiàn)采樣值時，階躍被去除。在第二種情況中，可以用整數(shù)值來計算。
在一種改進方案中，根據(jù)校正規(guī)定執(zhí)行改變后的值范圍的強制劃分或強制組合。特別是對于語音的傳輸來說通常需要不均勻的量化，以便在大的動態(tài)范圍上將信噪比保持恒定。為此例如在傳統(tǒng)的量化中使用A特性曲線或μ特性曲線。通過這些特性曲線來實現(xiàn)小的信號幅度更精細地被量化并且大的信號幅度為此更粗地被量化?？梢允褂门c這些特性曲線可比較的函數(shù)，以便保證特別是在小信號幅度的情況下不出現(xiàn)太大的量化步長。但是同樣可以防止在大信號幅度的情況下不再進行量化。
此外本發(fā)明還涉及一種用于針對采樣值自動確定屬于碼字的值范圍邊界的設備。該設備特別適合于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法或其改進方案，因此上述技術效果也適用于該設備。
在一種改進方案中，該設備包含處理器，該處理器在執(zhí)行程序時提供原始分配單元、測定單元和確定單元的功能。在一種替代的改進方案中，該設備包含電路裝置，該電路裝置不包含處理器并且提供所提及的單元中的至少一個單元的功能或所有這些單元的功能。用于模/數(shù)轉換器的已知的電路這樣被修改，使得作為基礎的特性曲線的改變被考慮。
在一種擴展方案中，量化特性曲線的更新不僅在發(fā)送機側而且在傳輸側被執(zhí)行，其中量化值在位于發(fā)射機和接收機之間的傳輸線路上被傳輸。在這種處理方式中，改變后的特性曲線不必被傳輸。
而在一種替代的擴展方案中，改變后的特性曲線只是在發(fā)送機側被測定。改變后的特性曲線于是與要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一同被發(fā)送給接收機單元。通過該措施，不必在接收機側計算量化特性曲線。
下面借助附圖對本發(fā)明的實施例進行闡述。
其中

圖1示出采樣值序列的采樣值，該采樣值序列中的一部分采樣值被用于改變量化特性曲線；圖2示出量化階躍的去除；圖3示出量化階躍的插入；以及圖4示出最初的量化特性曲線和由此生成的被改變的量化特性曲線。
圖1示出被分配給采樣時間標度10的采樣值x(k)，這些采樣值是在以恒定的采樣間隔對連續(xù)信號進行采樣的情況下生成的，其中k是自然數(shù)，該自然數(shù)說明在采樣序列中的位置，在該采樣序列中采樣值x(k)按其生成的順序、即隨著遞增的采樣時間排列。在采樣序列中的位置由此正好可以被分配給一個采樣時刻，在該采樣時刻，從具有已知的采樣時刻的位置出發(fā)，根據(jù)所涉及的位置位于參考位置之前還是之后，將位置差與采樣間隔持續(xù)時間相乘并且從已知的采樣時刻中減去或者加到該時刻上。
參考采樣值x(k0)屬于位置k0，例如屬于位置250。在處理參考采樣值x(k0)時，也進行量化特性曲線的更新，參見垂直線20。為了測定當前的量化特性曲線，對位于參考采樣值x(k0)之前的R個采樣值x(k0-R)至x(k0-1)執(zhí)行開窗操作(Fensterung)，其中R是自然數(shù)。若k0表示位置250，則在R＝12時采樣值x(238)至x(249)位于該窗口中。
為了更簡單地闡述，在圖1中所有采樣值x(k)都具有相同的大小，例如因為在時間上恒定的信號被采樣。然而通常采樣值x(k)是彼此不同的，因為存在在時間上變化的信號。
在該實施例中，窗口長度R與狀態(tài)或碼字的數(shù)目N一致，這些狀態(tài)或碼字可以通過要傳輸?shù)亩M制數(shù)b(j)來表示，其中j是用于標識狀態(tài)或碼字的整數(shù)。例如碼字b(1)具有值0001。
為了改變量化特性曲線而要執(zhí)行的步驟在下面借助圖2至圖4來進一步闡述。改變后的量化特性曲線被用于傳輸采樣值x(k0)至x(k0+V)，其中V是尤其大于100的自然數(shù)。
在傳輸了V個采樣值x(k)之后，特性曲線被重新更新，參見垂直線30。例如特性曲線以在50毫秒至100毫秒的范圍內的間隔被更新。采樣率例如為每秒8000個。采樣時間標度50說明相對于參考采樣值x(k1)重新執(zhí)行該方法，其中該參考采樣值與采樣值x(k0+V)相同。
在R＝12的情況下，例如位于采樣值x(k1)之前的12個采樣值x(k1-1 2)至x(k1-1)被用于重新改變量化特性曲線。隨后借助重新改變的量化特性曲線來傳輸采樣值x(k1)至k1+V-1。
在每次改變量化特性曲線時，首先使用量化采樣值x(kn-R)至x(kn-1)所利用的特性曲線，其中n是用于說明參考位置的自然數(shù)。例如從左向右逐段地進一步研究量化特性曲線的水平部分，其中每個水平部分形成一段。中間的段分別通過兩個階躍來形成邊界。在每段中都嵌入與所傳輸?shù)谋涣炕闹礲(j)一樣多的階躍。在此例如執(zhí)行借助圖2和3所闡述的步驟。
圖2示出相對于原始量化特性曲線的段A1的量化階躍100的去除，而沒有將量化階躍相應地插入改變后的特性曲線中。量化階躍100鄰接段A1的水平線102，并且鄰接位于段A1右邊的段的水平線104。量化特性曲線的改變通過箭頭110來表示。在改變后的量化特性曲線中的段A2的右邊緣不再有階躍。水平線112與位于段A2右邊的段或段部分的水平線113共同形成一條水平線。段A1和A2具有相同的長度、例如長度1，并且被分配給就采樣值x(k)的大小而言相同的采樣值范圍，例如被分配給相同的電壓范圍。如果在開窗時所檢測到的采樣值中不包含值位于范圍A1中的采樣值，則階躍被去除。
圖3示出相對于原始量化特性曲線的特性曲線段A3插入量化階躍。原始量化特性曲線在段A3中具有恒定的值，因此出現(xiàn)水平線150，該水平線在段A3的左端由階躍152形成邊界并且在段A3的右端由階躍154形成邊界。量化特性曲線的轉變通過箭頭160來表明。段A4具有與段A3相同的長度，并且針對相同的采樣值范圍被劃分為具有彼此相同的長度的兩個段A5和A6。在段A5和段A6之間的邊界處插入階躍170，該階躍位于水平線172和水平線174之間。
階躍170與左邊鄰接的水平線172形成一個階梯，其中線172可以被稱為階梯基線。同樣，階躍170與在右邊鄰接其的水平線174一同形成一個階梯，其中線174于是被稱為階梯蓋線。
換句話說，水平線通過具有相同的總寬度的模塊來代替。在開窗期間在段A3中所傳輸?shù)闹档臄?shù)目對應于要插入的階躍的數(shù)目。若針對b(j)所傳輸?shù)倪壿嬛档臄?shù)目例如為2，如果段A3的長度等于1，則在離段A4的左邊緣1/4的距離中插入一個階躍，并且在離段A4的右邊緣1/4的距離中插入另一個階躍。替代地，在離段A4的左邊緣1/3的距離中以及在離段A4的右邊緣1/3的距離中布置所述階躍。
如果針對碼字B(j)所傳輸?shù)倪壿嬛档臄?shù)目例如為3，則在水平線150的范圍內、例如在相對于段A4的左邊緣1/6、3/6和5/6處插入三個階躍。相應地在要利用碼字B(j)傳輸?shù)倪壿嬛档臄?shù)目為n的情況下，在水平線150的位置處插入n個階躍，其中兩個外面的階躍例如位于1/n或1-1/n處，并且其余的n-2個階躍以均勻的間距被布置在所述外面的階躍之間。
圖4在坐標系202中示出原始量化特性曲線200，該坐標系具有水平的x軸204和垂直的y軸206。在x軸204上示出了在-6至+6范圍內的采樣值x。在y軸上示出了碼字b、特別是碼字b(-6)至b(+6)。在該實施例中，碼字的數(shù)目N等于12。量化特性曲線200以及由此生成的量化特性曲線、特別是量化特性曲線210分別具有N、即12個量化級，N-1個階躍位于這N個量化級之間，例如參見階躍212。
量化特性曲線200曾被用于傳輸在時刻或采樣位置k0-R至k0-1的采樣值x(k0-R)至x(k0-1)。特性曲線200具有以下分布- -6＜x≤-4得到碼字b(-6)，- -4＜x≤-3.5 得到碼字b(-5)，- -3.5＜x≤-3 得到碼字b(-4)，- -3＜x≤-2.5 得到碼字b(-3)，- -2.5＜x≤-2 得到碼字b(-2)，- -2＜x≤0 得到碼字b(-1)，- 0＜x≤+2 得到碼字b(1)，- +2＜x≤+2.5 得到碼字b(2)，- +2.5＜x≤+3 得到碼字b(3)，- +3＜x≤+3.5 得到碼字b(4)，- +3.5＜x≤+4 得到碼字b(5)，- +4＜x≤+6得到碼字b(6)。
在采樣時刻k0-R至k0-1傳輸采樣值x(k0-R)至x(k0-1)時，應該已傳輸了以下碼字-b(-5)被傳輸了三次，-b(-6)、b(6)和b(5)分別被傳輸了兩次，-b(-4)和b(4)分別被傳輸了一次，并且-碼字b(-3)、b(-2)、b(-1)、b(1)、b(2)和b(3)沒有被傳輸。
因為碼字b(-6)被傳輸了兩次，所以范圍-6＜x≤-4獲得兩個階躍220、222，由此確定直到點224的量化特性曲線210。
碼字b(-5)被傳輸了三次，并且具有范圍-4＜x≤-3.5。相應地該范圍獲得三個階躍230、232和234，由此確定直到點236的量化特性曲線210。
碼字b(-4)被傳輸了一次，并且具有范圍-3.5＜x≤-3。因此在該范圍中插入一個階躍240，由此確定直到點242的量化特性曲線210。
邏輯值b(-3)、b(-2)、b(-1)、b(1)、b(2)和b(3)沒有被傳輸。因此在所屬的范圍-3＜x≤-2.5；-2.5＜x≤-2；-2＜x≤0；0＜x≤+2；+2＜x≤+2.5和+2.5＜x≤+3內不插入階躍，參見量化特性曲線210從點242經(jīng)過點250、252、254、256和260直至點262的分布。
邏輯值或碼字b(4)被傳輸了一次。因此，量化特性曲線200的屬于該碼字b(4)的范圍+3＜x≤+3.5在量化特性曲線210中獲得一個階躍270，以致確定直到點272的量化特性曲線210。
碼字b(5)被傳輸了兩次。因此所屬的范圍+3.5＜x≤+4在改變后的量化特性曲線210中獲得兩個階躍280和282，由此確定直到點284的量化特性曲線210。
邏輯值b(6)被傳輸了兩次，使得兩個階躍290和292被分配給所屬的范圍+4＜x≤+6。由此確定量化特性曲線210的整個分布。
階躍220、222、230、234、240、270、280、282和290的高度相同，即這些階躍的垂直的或與y軸206平行的階躍線的長度彼此相同。然而在傳輸碼字或邏輯值時，并不取決于碼字之間的歐幾里得距離，而是僅僅取決于它們的順序，該順序是用于反變換所需的。在接收機側的反變換中，將在發(fā)送機側被分配給該碼字的范圍內的值、例如該范圍的中值、范圍下邊界或范圍上邊界分配給該碼字。
而在另一實施例中，代替邏輯值或碼字傳輸舍入(gerundete)的物理值。在這種情況下，階躍的位置或階躍高度與x軸上的值范圍匹配。特別是窄的值范圍導致小的階躍高度并且寬的值范圍導致大的階躍高度。水平線的位置例如與所涉及的x軸范圍的中值一致。這種表示形式特別是在沒有軟件組件的純電路技術解決方案中被使用。
對于量化特性曲線210來說以下范圍邊界適用-針對碼字b(-6) -6＜x≤-5.5，-針對碼字b(-5) -5.5＜x≤-4.5，-針對碼字b(-4) -4.5＜x≤-3.9167，-針對碼字b(-3) -3.9167＜x≤-3.75，-針對碼字b(-2) -3.75＜x≤-3.583，-針對碼字b(-1) -3.583＜x≤-3.25，-針對碼字b(1) -3.25＜x≤+3.25，-針對碼字b(2) +3.25＜x≤+3.625，-針對碼字b(3) +3.625＜x≤+3.875，-針對碼字b(4) +3.875＜x≤+4.5，-針對碼字b(5) +4.5＜x≤+5.5，以及-針對碼字b(6) +5.5＜x≤+6。
由此根據(jù)對稱的量化特性曲線200產(chǎn)生非對稱的量化特性曲線210。對稱的量化特性曲線是對具有均值零的采樣值的暗示。
借助圖4所闡述的量化特性曲線200至量化特性曲線210的轉變在實施例中借助處理器來進行，該處理器執(zhí)行程序的指令序列。針對每個碼字僅僅存儲上面所說明的范圍邊界。范圍邊界例如可以從發(fā)射機傳輸至接收機，使得在接收機中不必執(zhí)行所闡述的方法。然而，替代地，用于將特性曲線200轉變?yōu)榱炕匦郧€210的方法不僅在發(fā)射機中而且在接收機中被執(zhí)行。
在另一實施例中，改變后的量化特性曲線210通過以下方式再次被校正，即例如在范圍-3.25＜x≤+3.25中插入兩個強制階躍。在這種情況下，與碼字的數(shù)目相比，窗口中的采樣值R的數(shù)目減小了值2。此外，本方法還以相同的方式被執(zhí)行用于轉變量化特性曲線200。
在另一實施例中，針對分別所觀察的段所傳輸?shù)牟蓸又档臄?shù)目被加權。因此對于具有量值小的幅度值的范圍來說應放大所檢測的數(shù)目。對于具有大的幅度值的范圍來說應相應地縮小所檢測的數(shù)目。為此例如提供標準化的A特性曲線，如從脈沖編碼解調中已知的那樣。
借助所闡述的方法可以使量化特性曲線200、210局部地并且動態(tài)地匹配于要傳輸?shù)牟蓸又怠?br> 在另一種實施例中，量化級的數(shù)目大于或小于12，例如為256。
本發(fā)明可以一般地被應用于例如測量或控制技術領域中的所有的模數(shù)轉換器中以及所有的數(shù)模轉換器中。特別地，本發(fā)明不僅被用在語音數(shù)據(jù)、特別是在打電話時所產(chǎn)生的語音數(shù)據(jù)的處理、例如壓縮或者傳輸中，而且被用在圖像數(shù)據(jù)的傳輸中。語音數(shù)據(jù)例如在連接交換的時隙信道中或者在數(shù)據(jù)分組中、特別是在根據(jù)因特網(wǎng)協(xié)議(IP)的數(shù)據(jù)分組中傳輸。
邊界20和30例如被這樣設置，使得針對位于這些線之間的采樣值產(chǎn)生在相同的數(shù)據(jù)分組中傳輸?shù)拇a字，其中優(yōu)選地只有這些碼字而沒有另外的碼字在該數(shù)據(jù)分組中被傳輸。特別是針對每個包含屬于采樣序列的采樣值的碼字的數(shù)據(jù)分組執(zhí)行特性曲線匹配。
權利要求
1.用于針對采樣值(x(k))自動確定屬于碼字(b(j))的值范圍邊界的方法，-其中將采樣值(x(k))的整個值范圍劃分為多個原始值范圍，-其中給所述原始值范圍分別分配一個碼字(b(j))，-其中針對一個采樣間隔(R)的采樣值(x(k))測定位于原始值范圍(A3)中的采樣值(x(k))的數(shù)目，-其中根據(jù)所測定的數(shù)目確定改變后的值范圍(A5)的至少一個邊界，以及-其中將所述改變后的值范圍(A5)分配給一個碼字(b(j))。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于，根據(jù)所測定的原始值范圍(A3)的采樣值(x(k))的數(shù)目確定改變后的值范圍的至少一個值范圍邊界(170)，該值范圍邊界的值位于該原始值范圍內。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于，值位于該原始值范圍內的值范圍邊界的數(shù)目與采樣值的數(shù)目成比例，特別是等于針對該原始值范圍所測定的采樣值(x(k))的數(shù)目。
4.根據(jù)前述權利要求之一的方法，其特征在于，根據(jù)所測定的采樣值(x(k))的數(shù)目，整個原始值范圍(A1)成為改變后的值范圍的一部分，該改變后的值范圍大于該原始值范圍(A1)并且被分配給唯一的碼字。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其特征在于，所測定的數(shù)目具有值0。
6.根據(jù)前述權利要求之一的方法，其特征在于，針對所有原始值范圍特別是按所述原始值范圍被布置在整個值范圍內的順序來執(zhí)行該方法。
7.根據(jù)前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述采樣間隔中的采樣值(x(k))的數(shù)目(R)等于所述原始值范圍的數(shù)目(N)或者等于所述原始值范圍的數(shù)目(N)的整數(shù)倍。
8.根據(jù)前述權利要求之一的方法，其特征在于，根據(jù)校正規(guī)定進行改變后的值范圍的強制劃分或強制組合。
9.用于針對采樣值(x(k))自動確定屬于碼字(b(j))的值范圍邊界的設備，-具有原始分配單元，該原始分配單元將整個值范圍的多個原始值范圍分別分配給一個碼字(b(j))，-具有測定單元，該測定單元針對一個采樣間隔(R)的采樣值(x(k))測定位于原始值范圍(A3)中的采樣值(x(k))的數(shù)目，以及-具有確定單元，該確定單元根據(jù)所測定的數(shù)目確定改變后的值范圍(A5)的至少一個邊界，并且該確定單元將碼字(b(j))分配給改變后的值范圍(A5)。
10.根據(jù)權利要求9的設備，其特征在于，該設備包含處理器，該處理器在執(zhí)行程序時提供至少一個單元的功能，或者該設備包含電路裝置，該電路裝置不包含處理器并且該電路裝置提供至少一個單元的功能。
全文摘要
尤其闡述一種方法，在該方法中在量化特性曲線的自適應的和逐段的匹配中，將階躍(170)插入到量化特性曲線段(A3)中，或者將階躍從量化特性曲線段(A3)中去除。
文檔編號H03M7/50GK1965484SQ200580018155
公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月20日 優(yōu)先權日2004年6月3日
發(fā)明者T·詹德沃思 申請人:西門子公司