CODIFICACIÓN POR TRANSFORMADA, UTILIZANDO VENTANAS DE PONDERACIÓN Y CON RETARDO PEQUEÑO.

Método de decodificación, por transformada, de una señal representada por una sucesión de tramas que han sido codificadas utilizando al menos dos tipos de ventanas de ponderación,

de longitudes respectivas distintas, en donde, en caso de recepción de una información de paso desde una ventana larga a una ventana corta y para compensar una transición directa desde la ventana larga a la ventana corta: - se determina (63) muestras (b) a partir de una decodificación aplicando un tipo de ventana de síntesis corta (61) a una trama dada (T'i+1 ) que fue codificada utilizando una ventana de análisis corta y - se obtienen muestras complementarias (67, 69): • decodificando parcialmente (DCT -1 ) una trama (T'i) que precede a la trama dada y que fue codificada utilizando un tipo de ventana de análisis larga y • aplicando una combinación de al menos dos valores: - procedentes de muestras, respectivamente, de la trama dada (T'i+1 ) y de al menos una trama (T'i) que precede a la trama dada (T'i+1 ), - y ponderadas mediante funciones de ponderación respectivas (w1,n, w2,n; w'1,n, w'2,n) tabuladas y almacenadas en memoria de un decodificador

La presente invención se refiere a la decodificación de señales audiodigitales.

En un esquema de codificación por transformada, para una reducción del caudal informativo, se busca habitualmente reducir la precisión convenida para la codificación de las muestras, asegurando que el oyente sólo pueda, sin embargo, percibir lo menos posible de degradaciones.

A este fin, la reducción de precisión, efectuada por una operación de cuantificación, se controla a partir del modelo psicoacústico. Este modelo, basado en un conocimiento de las propiedades del oído humano, permite dosificar el ruido de cuantificación en las frecuencias auditivas menos perceptibles.

Con el fin de utilizar las informaciones derivadas del modelo psicoacústico, esencialmente datos en el dominio frecuencial, es clásico realizar una transformación de tiempo/frecuencia, efectuándose la cuantificación en este dominio frecuencial.

La Figura 1 ilustra, de forma esquemática, la estructura de un codificador por transformada, con:

- un banco BA de filtros de análisis FA1,… FAn, que incide sobre la señal de entrada X,

- un módulo de cuantificación Q, seguido de un módulo de codificación COD,

- y un banco BS de filtros de síntesis FS1,…, FSn, que proporciona la señal codificada X'.

Para reducir también el caudal antes de la transmisión, las muestras frecuenciales cuantificadas son codificadas, a menudo con la ayuda de una codificación denominada “entrópica” (codificación sin pérdida). La cuantificación se realiza, de forma clásica, por un cuantificador escalar, uniforme o no, o también por un cuantificador vectorial.

El ruido introducido en la etapa de cuantificación se conforma por el banco de filtros de síntesis (denominado, también, “transformación inversa”). La transformación inversa vinculada a la transformada de análisis debe elegirse, por lo tanto, con el fin de concentrar adecuadamente el ruido de cuantificación, de forma frecuencial o temporal, con el fin de evitar que se haga audible.

La transformación de análisis debe concentrar, lo mejor posible, la energía de la señal con el fin de permitir una codificación fácil de las muestras en el dominio transformado. En particular, la ganancia de codificación de la transformada, que depende de la señal de entrada, debe maximizarse en la medida de lo posible. Se utiliza, a este efecto, una relación del tipo:

SNR = GTC + K - R

En donde K es un término constante que puede, ventajosamente, asumir un valor de 6,02.

De este modo, la relación de señal a ruido obtenida (SNR) es proporcionar al número de bits por muestra seleccionada (R) aumentado en la componente Gτc que representa la ganancia de codificación de la transformada. Cuanto más importante es la ganancia de codificación, tanto mejor será la calidad de la reconstrucción.

Se comprende, por lo tanto, la importancia que reviste la transformación en codificación. Garantiza una codificación fácil de las muestras, gracias a su aptitud para concentrar, a la vez, la energía de la señal (por la parte de análisis y el ruido de cuantificación por la parte de síntesis).

Al ser las señales de audio notoriamente no estacionarias, conviene adaptar la transformación de tiempo/frecuencia en el curso del tiempo, en función de la naturaleza de la señal de audio.

Se describe, a continuación, algunas aplicaciones a técnicas de codificación usuales.

En el caso de transformadas moduladas, las técnicas de codificación de audio normalizadas integran bancos de filtros, modulados en la función trigonométrica del coseno, que permiten poner en práctica estas técnicas de codificación con la ayuda de algoritmos rápidos, basados en transformadas en la función coseno o transformada de Fourier rápidas.

Entre las transformadas de este tipo, la transformada más frecuentemente utilizada (en codificación MP3, MPEG-2 y MPEG-4 AAC, en particular) es la transformada MDCT (“Transformada de coseno discreta modificada”) cuya expresión se presenta a continuación:

**(Ver fórmula)**

con las notaciones siguientes:

 M representa la magnitud de la transformada  χn+tM son las muestras del sonido digitalizado con un periodo 1 (inverso de la frecuencia de muestreo) en

Fe

el instante n + tM,  t es el índice de trama.

es una función de base de la transformada, cuyo h(n) se denomina filtro prototipo de magnitud 2M.

Para restituir las muestras temporales iniciales, la transformación inversa siguiente se aplica con el fin de reconstituir las muestras 0 < n < M - 1:

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

En referencia a la Figura 1a, la reconstrucción se realiza como sigue:

t

 transformada DCT inversa (denominada a continuación DCT-1) de las muestras Xk que proporcionan 2M muestras,

t1

 transformada DCT inversa de las muestras Xk que dan 2M muestras, presentando las M primeras muestras un soporte temporal idénticas a las M últimas muestras de la trama precedente.

 Ponderación por la ventana de síntesis h(M+n) para la segunda mitad de la trama Ti (M últimas muestras) y por la ventana de síntesis h(n) para la primera mitad de la trama siguiente Ti+1 (M primeras muestras) y

 Adiciones de las componentes en ventanas sobre el soporte común.

Con el fin de asegurar la reconstrucción exacta (denominada “perfecta”) de la señal (según la condición xn+tM = χn+tM), conviene elegir una ventana prototipo h(n) que satisfaga algunas limitaciones.

En condiciones típicas, las relaciones siguientes son satisfactorias con el fin de permitir una reconstrucción perfecta:

**(Ver fórmula)**

presentando las ventanas una simetría par con respecto a una muestra central.

Es relativamente sencillo satisfacer estas dos limitaciones simples y, a este respecto, un filtro prototipo clásico está constituido por una ventana sinusoidal que se escribe como sigue:

**(Ver fórmula)**

Por supuesto, existen otras formas de filtro prototipo, tales como las ventanas definidas en la norma MPEG-4 bajo la denominación de “Derivadas de Kaiser Bessel Dérivées” (o KBD) o también las ventanas de solapamiento débil (Low Overlap).

Un ejemplo de tratamiento por una transformada MDCT, con ventanas largas, se representa en la Figura 1a. En esta Figura:

- las flechas en líneas de trazos ilustran una sustracción,

- las flechas en líneas continuas ilustran una adición,

- las flechas en líneas de trazos mixtas ilustran un tratamiento DCT a la codificación y DCT-1 a la decodificación DEC, correspondiendo este término DCT al término en coseno de la función de base presentada anteriormente,

- las muestras de la señal a codificar están en un flujo denominado xin y se sigue la evolución de los tratamientos de codificación/decodificación de algunas muestras marcadas y referidas como a y b en la Figura 1b y como e y f en la Figura 1c,

- las muestras xin están reagrupadas por tramas, siendo indicada una trama actual como Ti, mientras las tramas precedente y siguiente se indican, respectivamente por Ti-1 y Ti+1,

- la referencia DEC es propia del tratamiento realizado por el decodificador (utilizando ventanas de síntesis FS con adición – solapamiento),

- las ventanas de análisis se indican como FA y las ventanas de síntesis se indican como FS,

- n es la distancia entre la parte central de la ventana y la muestra a.

La referencia calc T'i es propia para el cálculo de la trama codificada T'i con utilización de la ventana de análisis FA y las muestras respectivas de las tramas Ti-1 y Ti. Se trata simplemente, en este caso, de un ejemplo de convenio ilustrado en la Figura 1a. Podría también decidirse, por ejemplo, indexar las tramas Ti y Ti+1 para el cálculo de una trama codificada T'i. Prosiguiendo el ejemplo de la Figura 1a, la referencia calc T'i+1 es propia del cálculo de la trama codificada T'i+1 utilizando las muestras respectivas... [Seguir leyendo]

1. Método de decodificación, por transformada, de una señal representada por una sucesión de tramas que han sido codificadas utilizando al menos dos tipos de ventanas de ponderación, de longitudes respectivas distintas, en donde, en caso de recepción de una información de paso desde una ventana larga a una ventana corta y para compensar una transición directa desde la ventana larga a la ventana corta:

- se determina (63) muestras (b) a partir de una decodificación aplicando un tipo de ventana de síntesis corta

(61) a una trama dada (T'i+1 ) que fue codificada utilizando una ventana de análisis corta y -se obtienen muestras complementarias (67, 69):  decodificando parcialmente (DCT-1) una trama (T'i) que precede a la trama dada y que fue codificada utilizando un tipo de ventana de análisis larga y  aplicando una combinación de al menos dos valores: -procedentes de muestras, respectivamente, de la trama dada (T'i+1 ) y de al menos una trama (T'i) que precede a la trama dada (T'i+1 ),

- y ponderadas mediante funciones de ponderación respectivas (w1,n, w2,n; w'1,n, w'2,n) tabuladas y almacenadas en memoria de un decodificador.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque: -se determina primero (63) las muestras (b) derivadas de la trama dada (T'i+1 ) y -se deduce de ello (65-67) muestras (a) que corresponden temporalmente al inicio de la trama precedente

(T'i), siendo estas muestras resultado de una decodificación que aplica una ventana de síntesis larga.

3. Método según la reivindicación 2, en donde: -una trama presenta M muestras, -una ventana larga presenta 2M muestras, -una ventana corta presenta 2Ms muestras, siendo Ms inferior a M,

caracterizado porque las muestras xˆ , para n comprendido entre 0 y (M/2-Ms/2) correspondiendo n=0 al inicio de

n

una trama en curso de decodificación, vienen dadas por una combinación de dos términos ponderados del tipo: caracterizado porque las muestras xˆ , para n comprendida entre (M/2-Ms/2) y (M/2+Ms/2), correspondiendo n=0

**(Ver fórmula)**

n

al inicio de una trama en curso de decodificación, vienen dadas por una combinación de dos términos ponderados del tipo:

**(Ver fórmula)**

~

- l son valores (v1) derivados de la trama precedente (T'i),

n

~

- s son valores (v2) derivados de la trama dada (T'i+1 ) y

m

- w'1,n y w'2,n son funciones de ponderación cuyos valores tomados, en función de n, son tabulados y

almacenados en la memoria del decodificador.

5. Método según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, para una decodificación de tramas codificadas por una codificación por transformada con solapamiento, con miras a reducir una influencia de muestras pasadas, la señal a decodificar se reconstruye a partir de una combinación entre:

para un índice de muestra n comprendida entre 0 y M/2-Ms/2, correspondiendo n=0 al inicio de una trama en curso

~

de decodificación, las muestras x a decodificar vienen dadas por una combinación de cuatro términos ponderados

n

del tipo:

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

designa muestras incompletamente decodificadas de la trama (T'i) que precede a la trama dada (T'i+1 ) utilizando una ventana de síntesis larga con adición, sin

corrección, a elementos de memoria precedentes denominados

índice t un índice de trama,

- s representa muestras completamente decodificadas con la ayuda de una sucesión de ventanas cortas

n

de síntesis (FCS) de la trama dada (T'i+1), para M / 2 + Ms / 2 < n < M y muestras completamente decodificadas de tramas precedentes (T'i , T'i-1, T'i-2 ,…) para -2M < n<M y

- w, w, w y wson, respectivamente, primera, segunda, tercera y cuarta funciones de

1,n 2,n 3,n 4,n

ponderación dependientes del índice de muestra n y los valores tomados al menos por la primera y segunda funciones de ponderación w y w, en función de n, son tabuladas y almacenadas en la

1,n 2,n

memoria del decodificador.

7. Método, según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque, con:

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

~

- l son muestras incompletamente decodificadas de la trama (T'i) que precede a la trama dada (T'i+1),

n

~

15 -s son muestras incompletamente decodificadas de la primera ventana corta de la trama dada (T'i+1), con

m

m = n –M/2+Ms/2,

- s representa las muestras completamente decodificadas de tramas precedentes (T'i , T'i-1, T'i-2 ,…),

n

20 -w'1,n , w'2,n , w'3,n y w'4,n son respectivamente, primera, segunda, tercera y cuarta funciones de ponderación dependientes de n y los valores tomados al menos por las primera y segunda funciones de ponderación w'1,n y w'2,n , en función de n, son tabuladas y almacenadas en la memoria del decodificador.

25 8.

cuarta funciones de ponderación son despreciadas en el cálculo de las muestras xˆ , de modo que solamente los valores tomados por la primera y segunda funciones de ponderación

n

**(Ver fórmula)**

30 9. Método, según una de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque la tercera y cuarta funciones de

10. Método según las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque:

~~

- se calcula para n, que varía de 0 a (M+Ms)/2, una expresión primaria x de la señal x a decodificar,

nn

40 según una combinación ponderada del tipo:

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

- para n comprendida entre 0 y M/2-Ms/2, correspondiendo n=0 al inicio de una trama en curso de decodificación, se plantea:

- para n comprendida entre M/2-Ms/2 y M/2+Ms/2 se plantea:

11. Decodificador por transformada, de una señal representada por una sucesión de tramas derivadas de un codificador que utilizan al menos dos tipos de ventanas de ponderación, de longitudes respectivas distintas, caracterizado porque presenta al menos:

- medios de recepción de una información de paso desde una ventana larga a una ventana corta y, para compensar una transición directa desde la ventana larga a la ventana corta:

- medios de determinación de muestras (b) a partir de una decodificación que aplica un tipo de ventana de síntesis corta (61) a una trama dada (T'i+1) que fue codificada utilizando una ventana de análisis corta, así como:

- medios de obtención de muestras complementarias (67, 69) que son capaces de:

 decodificar parcialmente (DCT-1) una trama (T'i) que precede a la trama dada y que fue codificada utilizando un tipo de ventana de análisis larga y

 aplicar una combinación de al menos dos valores:

- derivados de muestras, respectivamente, de la trama dada (T'i+1) y de al menos una trama (T'i) que precede a la trama dada (T'i+1),

- y ponderados por funciones de ponderación respectivas tabuladas y almacenadas en la memoria de un decodificador.

**(Ver fórmula)**

12. Programa informático, destinado a almacenarse en memoria de un decodificador por transformada, caracterizado porque comprende instrucciones para la puesta en práctica del método de decodificación según una de las reivindicaciones 1 a 10, cuando se ejecuta por un procesador de un tal decodificador.

13. Decodificador por transformada, según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende una memoria que almacena las instrucciones de un programa informático, según la reivindicación 12.