CN101211561A - 音乐信号质量增强方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种音乐信号质量增强方法，包括步骤：对输入信号进行高通滤波和噪声抑制；计算音频信号的自相关和长时预测参数；对当前帧进行速率判决；对不同的速率进行编码，得到LSP、自适应码本和固定码本的编码信息；对LSP、自适应码本和固定码本的编码信息进行量化；使用与量化相同的方法解量化。根据本发明，通过改进的固定码本的增益量化方法，使得在用手机听音乐信号时，比如采用彩铃业务时，音乐的质量得到明显的提高。

Description

音乐信号质量增强方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信，特别涉及音乐信号质量增强方法和装置。

背景技术

近年来，随着手机使用领域的扩大和利用手机听音乐的服务的活跃，要求改善手机音乐音质的呼声越来越高。手机是通过语音编解码器来编解码音频信号的，部分手机采用EVRC及其相应声音编解码的方法来编解码音频信号，而采用EVRC(增强的变速率编码)编解码器对音乐信号的歪曲比较严重。

移动通信系统的语音通道带宽相对于有线通信系统的64kbps来说显得很小，因此语音信号要压缩传送。目前，在移动通信系统中使用的语音压缩技法有：IS-95的QCELP(Qualcomm Code Excited Linear Prediction)，EVRC(Enhanced Variable Rate Coding)，GSM的VSELP(Vector-Sum Excited Linear Prediction)，PRE-LTP(Regular-Pulse Excited LPC with a Long-Term Predictor)，ACELP(Algebraic Code Excited Linear Prediction)等，这些都是以LPC(线性预测编码)分析方法为基础的。LPC系列语音压缩技法使用了最适合人体发声的模型，因此把语音压缩成中传送率和低传送率时很有效。

最近，给移动电话用户提供音乐服务，比如在接听等待状态下把信号音替换成用户指定的音频文件的服务(彩铃业务)等越来越广泛，因此给手机传送音乐的情况逐渐增多。但是LPC系列的语音压缩技法除了语音以外不适合其他的音乐等频率较复杂的信号的压缩。因此包括可听频率全范围内的音频信号通过移动通信手机接听时，经常出现只能听见一定带宽内的声音等信号歪曲现象，高频低频段都有明显的损失，而这种现象是移动通信系统提供音乐服务时最大的障碍。

现有的手机种的语音编解码器在播放音乐时经常出现只能听见一定带宽内的声音等信号歪曲现象，这种现象在EVRC算法中尤其严重。EVRC算法中的固定码本增益的量化表是针对语音的动态范围的，其量化范围是从0～2980.958。而对于音乐，其动态范围要远远大于这个范围，所以经过量化之后固定码本增益会被限幅，对音乐的损失比较大，音质听起来有较大降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种在EVRC编解码器上的音乐信号质量增强方法和装置。

按照本发明的一方面，一种音乐信号质量增强方法，包括步骤：

对输入信号进行高通滤波和噪声抑制；

计算音频信号的自相关和长时预测参数；

对当前帧进行速率判决；

对不同的速率进行编码，得到LSP、自适应码本和固定码本的编码信息；

对LSP、自适应码本和固定码本的编码信息进行量化；

使用与量化相同的方法解量化。

按照本发明的另一方面，一种音乐信号质量增强装置，包括：

预处理单元，对输入信号进行高通滤波和噪声抑制；

参数估计单元，计算音频信号的自相关和长时预测参数；

速率判决单元，对当前帧进行速率判决；

CELP(Code Excited Linear Prediction)编码方法，对不同的速率进行编码，得到LSP、自适应码本和固定码本的编码信息；

量化单元，对LSP、自适应码本和固定码本的编码信息进行量化；

解量化单元，使用与量化相同的方法解量化。

根据本发明，通过改进的固定码本的增益量化方法，使得在用手机听音乐信号时，比如采用彩铃业务时，音乐的质量得到明显的提高。

附图说明

图1表示与本发明相关的音乐信号质量增强装置的具体实施方式的结构框图；

图2示出了一个根据本发明采用新的固定码本增益的量化方法的编码流程图；

图3示出了一个根据本发明采用新的固定码本增益的解量化方法的解码流程图；

图4示出一个音乐信号的固定码本增益的动态范围；

图5示出根据原始EVRC的固定码本增益的量化方法对图4所示的音乐信号的固定码本增益进行量化的结果；

图6示出了一个根据本发明所采用的改进的EVRC的固定码本增益的量化方法对图4所示的音乐信号的固定码本增益进行量化的结果。

具体实施方式

EVRC是一种变速率语音编码器，其速率有全速率，半速率，和1/8速率三种。其中1/8速率是当前帧为噪声时采用的速率。对于语音和音乐，主要采用全速率和半速率编码。

全速率编码时，固定码本增益的量化分为32级，我们来看一下EVRC的全速率固定码本增益的量化表的表达公式：

$\mathrm{Gq}\left[i\right]=e^{\frac{8i}{32}}$ 其中0＜i≤32            (1)

这个公式主要说明EVRC的全速率固定码本的增益的量化表是以为非线性增长的，最小是1.2840254，最大是2980.9580，中间按32级量化。

其量化表如表格1所示。

表格1

I	Gq(i)	I	Gq(i)
				1	1.2840254E+0	17	7.0105412E+1
2	1.6487213E+0	18	9.0017131E+1
				3	2.1170000E+0	19	1.1558429E+2
4	2.7182818E+0	20	1.4841316E+2
				5	3.4903430E+0	21	1.9056627E+2
6	4.4816891E+0	22	2.4469193E+2
				7	5.7546027E+0	23	3.1419066E+2
8	7.3890561E+0	24	4.0342879E+2
				9	9.4877358E+0	25	5.1801283E+2
10	1.2182494E+1	26	6.6514163E+2
				11	1.5642632E+1	27	8.5405876E+2
12	2.0085537E+1	28	1.0966332E+3
				13	2.5790340E+1	29	1.4081049E+3
14	3.3115452E+1	30	1.8080424E+3
				15	4.2521082E+1	31	2.3215724E+3
16	5.4598150E+1	32	2.9809580E+3

半速率编码时，固定码本增益的量化分为16级，EVRC的半速率固定码本增益的量化表的表达公式：

$\mathrm{Gq}\left[i\right]=e^{\frac{8i}{16}}$ 其中0＜i≤16              (2)

这个公式主要说明EVRC的半速率固定码本的增益的量化表是以为非线性增长的，最小是1.6487213，最大是2980.9580，中间按16级量化。

其量化表如表格2所示。

表格2

I	Gq(i)	i	Gq(i)
				1	1.6487213E+0	9	9.0017131E+1
2	2.7182818E+0	10	1.4841316E+2
				3	4.4816891E+0	11	2.4469193E+2
4	7.3890561E+0	12	4.0342879E+2
				5	1.2182494E+1	13	6.6514163E+2
6	2.0085537E+1	14	1.0966332E+3
				7	3.3115452E+1	15	1.8080424E+3
8	5.4598150E+1	16	2.9809580E+3

由表1和表2可以看出，EVRC固定码本的增益的量化范围是0～2980.958，这个范围是语音信号的动态范围，超过此范围的信号都将被限幅，而音乐信号的动态范围则非常大，很多音乐的固定码本增益都要超过这个范围。

图4表示了一个音乐信号的固定码本增益的动态范围，图5则是这个音乐信号的固定码本增益采用EVRC的固定码本增益的量化表量化后的范围，从图4和图5中我们可以看到，EVRC的固定码本增益的量化表的动态范围和音乐信号的固定码本增益的动态范围相差很大，大部分音乐信号的固定码本增益量化时被限副了。这样导致解码端解码时，音乐信号的固定码本增益参数不能表示出原有音乐信号的特性，使得音乐信号质量大大下降。

为了保障手机的音质，使得手机在听音乐信号是能够达到一个较好的质量，重新设计一个固定码本增益的量化方法是非常必要的。

本发明提出的固定码本增益的量化方法是在保持量化阶数固定的情况下，采用加大量化步长的方法，最后在保证兼容性的情况下，用相同阶数的量化表表达下具有更大动态范围的音乐信号。

全速率的改进固定码本增益的量化方法的表达公式为：

$\mathrm{Gq}\left[i\right]=e^{\frac{N*i}{32}}$ 其中0＜i≤32               (3)

为了使量化表具有更大的动态范围，N取值一般大于8并且N可以根据实际音乐信号的范围来选择，例如可以令N＝10。

半速率的改进固定码本增益的量化方法的表达公式为：

$\mathrm{Gq}\left[i\right]=e^{\frac{N*i}{16}}$ 其中0＜i≤16              (4)

为了使量化表具有更大的动态范围，N取值一般大于8并且N可以根据实际音乐信号的范围来选择，例如可以令N＝10。

根据本发明，提供了一种用于提高手机听音乐信号的音质的装置，它包括：一个固定码本增益的计算单元，一个固定码本增益的量化单元，一个固定码本增益的解量化单元。

根据本发明的另一个方面，提供了一种提高手机听音乐信号的音质方法，它包括步骤：计算固定码本增益，然后对固定码本增益用新的量化表进行量化，在解码时，也采用新的量化表，使得最终音乐信号的音质得到很大改善。

下面参照图示对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1表示与本发明相关的音乐信号质量增强装置的具体实施方式的结构框图。

在图1中，编码端A端的音乐信号首先进行预处理110。然后对处理过的信号进行参数估计120，根据得到的参数以及信号的能量进行速率判决130，接下来根据不同的速率进行CELP编码，其中包括计算固定码本的增益140b，编码之后，则进行量化，包括对固定码本增益的量化150b，最后形成数据包160。

在解码端B端，首先要对数据包160的数据进行解量化，包括固定码本增益的解量化170a，其中全速率和半速率的固定码本增益的解量化按照新的量化表进行，然后根据解量化的结果合成音频信号180。

其中预处理单元110的输入是原始音频信号，在预处理单元110中对于输入信号进行高通滤波和噪声抑制，使得噪音成分得到抑制。

参数估计单元120的输入是经过预处理的音频信号，在参数估计单元120计算音频信号的自相关和长时预测参数。

速率判决单元130的输入是参数估计单元120中自相关参数和每帧的能量，由此对当前帧进行速率判决，能量高的采用全速率，能量低的采用半速率或1/8速率。

CELP编码根据速率判决单元130的结果，对不同的速率进行编码，分别得到LSP，自适应码本，固定码本的编码信息。

量化包括对LSP，自适应码本，固定码本的编码信息进行量化，其中由于原有的固定码本增益的量化方法150b不能充分反应音乐信号的动态范围，所以需要用到本发明所涉及的改进的固定码本增益的量化方法。

在解码端B端的固定码本增益的解量化单元170a中，为了使得量化前和解量化后的信号相一致，就需要在固定码本增益的解量化单元170a使用相同的本发明所涉及的改进的固定码本增益的解量化方法。

图2示出了一个根据本发明采用新的固定码本增益的量化方法的编码流程图。

图3示出了一个根据本发明采用新的固定码本增益的解量化方法的解码流程图。

现在参考图2和图3说明采用本发明的采用音频信号编解码的操作过程。

由于在移动通信中，输入的信号常常会有低频噪声以及其他影响音频信号的背景噪声，所以在步骤220要对信号进行预处理，减少噪声影响.步骤210包括高通滤波和噪声抑制两个功能。

步骤230对预处理过的信号进行参数估计，计算当前帧的长时预测参数。

步骤240是变速率编码的一个基本模块，它能根据信号能量和背景噪声动态地调整编码速率，因而能够在不牺牲话音质量的前提下显著地降低语音编码的平均速率。

步骤250是根据步骤240判决出的不同速率，对全速率，半速率和1/8速率帧进行基于CELP的编码，得到LSP，自适应码本和固定码本的编码信息。

步骤260是量化，对于步骤250产生的不同的编码信息进行量化。其中固定码本增益的量化方法260b采用本发明提出的方法。

其中全速率固定码本增益的量化方法如公式3所示，当N取10时，量化表如表格3所示：

表格3

i	Gq(i)	I	Gq(i)
				1	1.36684E+0	17	2.02857E+2
2	1.86825E+0	18	2.77272E+2
				3	2.55359E+0	19	3.78986E+2
4	3.49034E+0	20	5.18013E+2
				5	4.77073E+0	21	7.08040E+2
6	6.52082E+0	22	9.67775E+2
				7	8.91290E+0	23	1.32279E+3
8	1.21825E+1	24	1.80804E+3
				9	1.66515E+1	25	2.47130E+3
10	2.27599E+1	26	3.37787E+3
				11	3.11091E+1	27	4.61700E+3
12	4.25211E+1	28	6.31069E+3
				13	5.81194E+1	29	8.62569E+3
14	7.94398E+1	30	1.17899E+4
				15	1.08581E+2	31	1.61149E+4
16	1.48413E+2	32	2.20265E+4

其中半速率固定码本增益的量化方法如公式4所示，当N取10时，量化表如表4所示：

表格4

i	Gq(i)	i	Gq(i)
				1	1.86825E+0	9	2.77272E+2
2	3.49034E+0	10	5.18013E+2
				3	6.52082E+0	11	9.67775E+2
4	1.21825E+1	12	1.80804E+3
				5	2.27599E+1	13	3.37787E+3
6	4.25211E+1	14	6.31069E+3
				7	7.94398E+1	15	1.17899E+4
8	1.48413E+2	16	2.20265E+4

图6则示出根据改进的量化方法采用表3和表4的量化表对图4中的音乐信号的固定码本增益进行量化的结果，从图4和图6可以看出，改进的量化方法能够反映音乐信号的固定码本的增益的动态范围，量化时的量化误差较小，从而在解码时能比较真实的得到原始音乐信号的信息，最终对音乐信号的损失也降到最小。

解码时，首先在解量化阶段320对数据包中的数据解量化，其中包括采用改进方法的新的量化表的固定码本增益的解量化320b。

然后根据解量化的编码信息进行音频信号合成330，最后得到音频信号340。

Claims (8)

1.一种音乐信号质量增强方法，包括步骤：

对输入信号进行高通滤波和噪声抑制；

计算音频信号的自相关和长时预测参数；

对当前帧进行速率判决；

对不同的速率进行编码，得到LSP、自适应码本和固定码本的编码信息；

对LSP、自适应码本和固定码本的编码信息进行量化；

使用与量化相同的方法解量化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述速率包括全速率、半速率或1/8速率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于全速率的固定码本增益按下式计算：

$\mathrm{Gq}\[i\]=e^{\frac{N*i}{32}}$ 其中0＜i≤32，8＜N≤10。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于半速率的固定码本增益按下式计算：

$\mathrm{Gq}\[i\]=e^{\frac{N*i}{16}}$ 其中0＜i≤16，8＜N≤10。

5.一种音乐信号质量增强装置，包括：

预处理单元，对输入信号进行高通滤波和噪声抑制；

参数估计单元，计算音频信号的自相关和长时预测参数；

速率判决单元，对当前帧进行速率判决；

CELP，对不同的速率进行编码，得到LSP、自适应码本和固定码本的编码信息；

量化单元，对LSP、自适应码本和固定码本的编码信息进行量化；

解量化单元，使用与量化相同的方法解量化。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述速率包括全速率、半速率或1/8速率。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于全速率的固定码本增益按下式计算：

$\mathrm{Gq}\[i\]=e^{\frac{N*i}{32}}$ 其中0＜i≤32，8＜N≤10。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于半速率的固定码本增益按下式计算：

$\mathrm{Gq}\[i\]{=e}^{\frac{N*i}{16}}$ 其中0＜i≤16，8＜N≤10。

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