[논문]디지털 오디오 코덱을 위한 새로운 비선형 역 양자화 알고리즘과 하드웨어 구조

문종하; 백재현; 선우명훈

디지털 오디오 코덱을 위한 새로운 비선형 역 양자화 알고리즘과 하드웨어 구조
New Non-linear Inverse Quantization Algorithm and Hardware Architecture for Digital Audio Codecs 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.33 no.1C, 2008년, pp.12 - 18

문종하 (LG전자 Digital TV 연구소) , 백재현 (아주대학교 정보통신대학 전자공학부 SoC 연구실) , 선우명훈 (아주대학교 정보통신대학 전자공학부 SoC 연구실)

초록
AI-Helper

본 논문은 디지털 오디오 코덱에 효율적으로 적용 가능한 새로운 역 양자화 테이블 보간 알고리즘과 알고리즘에 특화된 DSP(Digital Signal Processor) 명령어 및 하드웨어 구조를 제안한다. 비선형 역 양자화 알고리즘은 대표적으로 MPEG-1 Layer-3와 MPEG-2/4 AAC(Advanced Audio Coding)에서 사용되며, 제안하는 명령어는 비선형 역 양자화에 최적화 되어 있다. 제안하는 알고리즘은 연산의 복잡도를 최소화하여 구현 시전체 연산량을 줄일 수 있으며, 제안된 알고리즘은 타 알고리즘에 비해 우수한 평균 오차값을 나타낸다. 제안하는 명령어 및 하드웨어 구조는 기존의 알고리즘과 비교하여 연산 과정에서 사용되는 명령어 수를 20% 정도 줄일 수 있으며, 역 양자화의 계산 부하를 효율적으로 줄일 수 있다. 제안한 알고리즘은 일반 상용 DSPEE 구현이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper This paper proposes a new inverse-quantization(IQ) table interpolation algorithm, specialized Digital Signal Processor(DSP) instructions and hardware architecture for digital audio codecs. Non-linear inverse quantization algorithm is representatively used in both MPEG-1 Layer-3 and MPEG-2/4 Advanced Audio Coding(AAC). The proposed instructions are optimized for the non-linear inverse quantization. The proposed algorithm can minimize operational complexity which reduces total computational load. Performance comparisons show a significant improvement of average error. The proposed instructions and hardware architecture can reduce 20% of the instruction counts and minimize computational loads of IQ algorithms effectively compared with existing IQ table interpolation algorithms. Proposed algorithm can implement commercial DSPs.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이런 오차들은 오디오 부호/복호화 과정에서 때로는 누적연산됨으로 오디오의 음질에 직, 간접적으로 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 근사로 인한 오차값을 줄이며 기존의 테이블 보 간 알고리즘 6, 71 보다 계산의 복잡도를 줄인 새로운 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘을 제안하고, 제안된 비선형 역 양자화 테이블 보간 알고리즘 구현에 필요한 연산량을 효과적으로 줄이기 위한 새로운 DSP 명령어와 하드웨어 구조를 제안한다.

제안 방법

또한 식 (17) 을 식 (14)-(16)에 적용하여 오차값이 양의 값과 음의 값을 교차로 가지기 때문에 누적 오차 감소 효과를 얻을 수 있다卩 제안하는 알고리즘은 4/3 제곱을 계산하기 위해 rem(X/64)<32 일 때, X=1 에서 256까지, X=257에서 2048까지, X=2049어】서 8129까지, rem(X/64)>32 일 때, X=2049에서 8192까지 모두 4개의 구간으로 나누어진다. 따라서 제안하는 알고리즘은 4/3 제곱을 계산하기 위해 5개의 구간으로 이루어진 기존의 Tsai 알고리즘 [기에 비해 적은 조건 분기가 필요하게 된다. 더욱이, 제안하는 알고리즘은 이에 특화된 명령어 및 하드웨어 구조를 사용해 덧셈/뺄셈 연산과 쉬프트 연산만을 이용하여 구현이 용이하다.
비선형의 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘의 연산 복잡도를 줄이기 위해, 새로운 명령어와 그 ASIP 구조를 제안한다. 제안하는 명령어는 제안하는 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘뿐만 아니라 기존의 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘 6, 기에서 주로사용호]는 연산을 효율적으로 지원한다.
역 양자화 테이블 보 간 알고리즘에서는 쉬프트 연산 제후에 뺄셈 또는 덧셈 연산이 함께 자주 사용된다. 이 명령어를 효과적으로 지원하기 위해 SUBSHIFT와 ADDSHIFT 명령어를 제안한다. 제안하는 구조는 ADDSHIFT와 SUBSHIFT 명령어 처리를 위한 데이터 버스 스위칭 네트워크를 가지고 있으며 쉬프트와 덧셈/뺄셈을 병렬로 처리할 수 있다.
이 명령어를 효과적으로 지원하기 위해 SUBSHIFT와 ADDSHIFT 명령어를 제안한다. 제안하는 구조는 ADDSHIFT와 SUBSHIFT 명령어 처리를 위한 데이터 버스 스위칭 네트워크를 가지고 있으며 쉬프트와 덧셈/뺄셈을 병렬로 처리할 수 있다.
제안한 명령어는 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘에서 자주 사용되는 연산을 효율적으로 지원하며, 이는 과거에 제안했던 ASIP (Application Specific Instruction-set Processor)[8, 91 에 제안하는 명령어와 하드웨어 구조를 일부 도입하여 진행하였다.

성능/효과

따라서 제안하는 알고리즘은 4/3 제곱을 계산하기 위해 5개의 구간으로 이루어진 기존의 Tsai 알고리즘 [기에 비해 적은 조건 분기가 필요하게 된다. 더욱이, 제안하는 알고리즘은 이에 특화된 명령어 및 하드웨어 구조를 사용해 덧셈/뺄셈 연산과 쉬프트 연산만을 이용하여 구현이 용이하다.
제안하는 알고리즘은 적은 연산 복잡도를 가지며 평균 오차값은 최소화하였다. 또한 제안한 SUBSHIFT, ADDSHIFT와 EXTB 명령어는 역양자화 테이블보 간 알고리즘을 구현할 때 연산량을 효과적으로 줄일 수 있다. 제안한 알고리즘은 일반 상용 프로세서나 DSP로도 구현이 가능하다.
ADDSHIFT와 SUBSHIFT는 쉬프트와 덧셈/뺄셈 연산이 병렬적으로 가능하도록 지원한다. 또한, 제안하는 EXTB 명령어를 사용하여 ASIP에서 rem(X/N) 함수와 [X/N] 함수 연산에서 기존의 DSP가 최소 두 개의 쉬프트 명령이 필요했던 것과 비교해 한 사이클에 실행이 가능하다. 표 2 에서 나타낸 것과 같이 제안하는 명령어와 하드웨어 구조는 TI 54X 프로세서, ARM7TDMI 프로세서, ASIP [8, 9]에서 모두 Tsai 알고리즘 [기과 비교해 역 양자화의 계산 부하를 20% 줄일 수 있다.
본 논문에서는 새로운 비선형 역양자화 테이블보 간 알고리즘과 역양자화 알고리즘에 특화된 명령어를 제안한 다 저 】안하는 알고리즘과 명령어는 MP3 와 MPEG-2/4 AAC 와 같은 고음질 오디오 알고리즘의 하드웨어 구현을 효과적으로 지원한다. 제안하는 알고리즘은 적은 연산 복잡도를 가지며 평균 오차값은 최소화하였다.
제안하는 ADDSHIFT, SUBSHIFT와 EXTB 명령어는 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘을 효율적으로 지원한다. ADDSHIFT와 SUBSHIFT는 쉬프트와 덧셈/뺄셈 연산이 병렬적으로 가능하도록 지원한다.
구조를 제안한다. 제안하는 명령어는 제안하는 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘뿐만 아니라 기존의 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘 6, 기에서 주로사용호]는 연산을 효율적으로 지원한다. 과거에'物에서 제안된 ASIP에는 제안한 명령어가 채택되어 구현되어 있다.
제안하는 알고리즘은 적은 연산 복잡도를 가지며 평균 오차값은 최소화하였다. 또한 제안한 SUBSHIFT, ADDSHIFT와 EXTB 명령어는 역양자화 테이블보 간 알고리즘을 구현할 때 연산량을 효과적으로 줄일 수 있다.
제안하는 알고리즘은 하드웨어 구현 시연산량의 부담을 줄이면서 음질의 열화도 최소화할 수 있다. 또한 식 (17) 을 식 (14)-(16)에 적용하여 오차값이 양의 값과 음의 값을 교차로 가지기 때문에 누적 오차 감소 효과를 얻을 수 있다卩 제안하는 알고리즘은 4/3 제곱을 계산하기 위해 rem(X/64)<32 일 때, X=1 에서 256까지, X=257에서 2048까지, X=2049어】서 8129까지, rem(X/64)>32 일 때, X=2049에서 8192까지 모두 4개의 구간으로 나누어진다.
제안하는 역 양자화 테이블 보 간 알고리즘은 프로세서가 가지고 있는 일반적인 명령어로 구현이 가능함으로 대부분의 상용 프로세서를 이용한 시스템에 도입할 수 있다. 제안하는 역 양자화 테이블보 간 알고리즘은 직접 선형 보 간 알고리즘 [6]에 비해 평균 오차값이 98.
도입할 수 있다. 제안하는 역 양자화 테이블보 간 알고리즘은 직접 선형 보 간 알고리즘 [6]에 비해 평균 오차값이 98.1% 감소되었고 Tsai 알고리즘 [기에 비해서는 74.8% 가 감소하였다 더욱이, 제안하는 알고리즘은 기존의 Tsai 알고리즘 [기에 비해 적은 연산량을 필요로 한다.
또한 제안한 SUBSHIFT, ADDSHIFT와 EXTB 명령어는 역양자화 테이블보 간 알고리즘을 구현할 때 연산량을 효과적으로 줄일 수 있다. 제안한 알고리즘은 일반 상용 프로세서나 DSP로도 구현이 가능하다.
또한, 제안하는 EXTB 명령어를 사용하여 ASIP에서 rem(X/N) 함수와 [X/N] 함수 연산에서 기존의 DSP가 최소 두 개의 쉬프트 명령이 필요했던 것과 비교해 한 사이클에 실행이 가능하다. 표 2 에서 나타낸 것과 같이 제안하는 명령어와 하드웨어 구조는 TI 54X 프로세서, ARM7TDMI 프로세서, ASIP [8, 9]에서 모두 Tsai 알고리즘 [기과 비교해 역 양자화의 계산 부하를 20% 줄일 수 있다.

참고문헌 (10)

ISO/IEC 11172-3 "Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio (Part 3: Audio)," 1st Edition, 1993
ISO/IEC 13818-3 "Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1.5 Mbit/s (Part 3: Audio)," 1st Edition, Nov. 1994
ISO/IEC 13818-7 "Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio (Part 7: Advanced Audio Coding(AAC))," 2nd Edition, Aug. 2003
Tsung H. Tsai and Jiun N. Liu, "Architecture design for MPEG-2 AAC filterbank decoder using modified regressive method," in proc. ICASSP, 2002, pp. 3216-3219
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Suk Hyun Yoon, Jong Ha Moon and Myung H. Sunwoo, "Efficient DSP architecture for high-quality audio algorithms," in Proc. IEEE int. Symp. on Circuits and Systems, 2005, pp. 2947-2950
Gilvert A, Soulodre, Theodore Grusec, Michel Lavoie and Louis Thibault, "Subjective Evaluation of State-of-the-Art Two-Channel Audio Codecs," J. Audio Eng. Soc., vol. 46, Num. 4, pp. 164-177, 1998

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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