CN101499281A - 一种增益量化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及编码技术,公开了一种增益量化方法及装置,其中增益量化方法包括:计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;对所述固定码书增益进行量化,获得所述一个子帧的固定码书增益的量化值;使用所述固定码书增益的量化值和所述信号的其余子帧的固定码书增益,计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数;对所述其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。使用本发明实施例提供的技术方案,可以不对估计能量值进行量化,节省量化比特。
Description
技术领域
本发明涉及编码技术,具体涉及一种增益量化方法及装置。
背景技术
随着近十几年计算机技术的不断发展,各种多媒体应用越来越受到人们的青睐。作为多媒体应用不可缺少的语音编码技术,在最近十几年取得了很大的进步。码激励线性预测编码模型(CELP:Code Excited Linear Prediction)是在语音编码领域中应用的较为广泛的一种编码模型,利用几乎是白的信号激励两个时变的线性递归滤波器,每个滤波器反馈环路上有一个预测器,其中一个是长时预测器(或基音预测器)P(z),用来产生浊音语音的音调结构(谱的细致结构),另一个是短时预测器F(z),用来恢复语音的短时谱包络。这种模型来源于它的逆过程,即F(z)用于去除语音信号的近样点冗余度,P(z)用于去除语音信号的远样点冗余度,经过两级预测得到的归一化残差信号近似服从标准正态分布。该模型的激励信号通常从高斯白噪声序列构成的码书中选取,所以称为码激励线性预测模型。
在码激励线性预测模型中,对自适应码书增益(基音增益)ga和固定码书增益gs的量化对合成语音的质量有很大影响,若增益量化的比较粗糙,则合成语音的量化噪声比较大,合成语音的自然度和清晰度比较差,高质量的语音编码算法需要高质量的增益量化,对自适应码书增益和固定码书增益进行增益量化的原则是使原始语音和重建语音之间的感知加权均方误差最小化。
现有的可变比特率宽带语音编码中增益量化的方法如下所述:
一帧信号的增益用30比特进行量化:用于固定码书增益预测的估计能量值每帧用2位进行量化,一帧信号分为四个子帧,每个子帧的自适应码书和固定码书增益使用7位进行矢量量化,共2+7x4=30比特。其中每个子帧的能量采用式(1)计算:
其中N=64是子帧的长度,c(i)是固定码书激励,gc是固定码书增益,Ei是码书的平均能量,采用式(2)进行计算:
根据式(1)可以得到固定码书的估计能量值可以如式(3)所示:
Es=20log(g′c)+Ei (3)
因此根据式(3)得到每个子帧的预测固定码书增益如式(4)所示:
所以为了得到预测固定码书增益g′c,需要计算出Es,可以首先计算每个子帧的线性预测残差的能量,具体可以采用式(5)计算每个子帧的线性预测残差的能量:
其中r(j)是线性预测残差。
通过式(5)计算出每个子帧的线性预测残差的能量后,可以计算每帧的平均残差能量,具体可以通过式(6)进行计算:
将得到的平均残差能量去除自适应码书的贡献估计值后可以得到估计能量值Es,因此得到的Es如式(7)所示:
Es=Eres-10R (7)
其中R是去除两个开环基音分析得到的互相关归一化能量平均值,10R是自适应码书的贡献估计值。
对估计能量值用2位进行量化得到固定码书增益Es,量化级可以为18,30,42,54,估计能量值可以更进一步被强制成大于Emax-37或Es=54,其中Emax是4个子帧中Eres(n)最大值;
由此可以根据计算得到的Es和式(4)计算得到预测固定码书增益g′c,计算固定码书增益gc和预测固定码书增益g′c之间的校正因子,计算式如式(8)所示:
γ=gc/g′c (8)
再对各个子帧的自适应码书增益和校正因子γ做7位联合矢量量化,具体是二维矢量量化,完成一帧信号的增益量化。
从上可知,现有的增益量化方法中需要对估计能量值用2位进行量化,浪费量化比特。
发明内容
本发明实施例提供了一种增益量化方法及装置,使用本发明实施例提供的技术方案,可以不对估计能量值进行量化,节省量化比特。
本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的:
本发明实施例提供了一种增益量化方法,包括:
计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;
对所述固定码书增益进行量化,获得所述一个子帧的固定码书增益的量化值;
使用所述固定码书增益的量化值和所述信号的其余子帧的固定码书增益,计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数;
对所述其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
相应的,本发明实施例提供了一种增益量化装置,包括:
固定码书增益计算单元,用于计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;
固定码书增益量化单元,用于对所述固定码书增益计算单元计算得到的所述固定码书增益进行量化,获得所述一个子帧的固定码书增益的量化值;
系数计算单元,用于使用所述固定码书增益的量化值和所述信号的其余子帧的固定码书增益,计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数;
系数量化单元,用于对所述系数计算单元计算得到的所述其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
从本发明实施例提供的以上技术方案可以看出,由于本发明实施例使用第一个子帧的固定码书增益的量化值计算其余子帧的固定码书增益的预测系数,从而使其余子帧的固定码书增益的预测系数与第一个子帧的固定码书增益的量化值相关,充分利用了各个子帧间固定码书增益相关性强的特点,从而不需要计算估计能量值,也不需要对估计能量值进行量化,因此可以节省需要对估计能量值进行量化的比特。
附图说明
图1为本发明实施例中增益量化方法实施例一的流程图;
图2为本发明实施例中增益量化方法实施例二的流程图;
图3为本发明实施例中增益量化装置实施例一的结构图;
图4为本发明实施例中增益量化装置实施例二的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本发明进一步详细说明。
图1描述了本发明实施例提供的增益量化方法实施例一的流程,包括:
步骤101、计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;
上述一个子帧是一帧信号中的任意一个子帧,但是本发明实施例优选采用一帧信号的第一个子帧;
可以采用传统的固定码书增益计算方法计算上述固定码书增益,也可以采用其他方式计算上述固定码书增益;具体如何计算上述固定码书增益并不会影响本发明实施例的实现,因此本发明实施例并不限定固定码书增益的具体计算过程。
本发明实施例提供的一种固定码书增益计算方法采用如下的式(9)进行计算:
其中gs为固定码书增益,矢量z是固定码本矢量与感知加权合成滤波器的脉冲相应的卷积,矢量x2是固定码本搜索的目标矢量。
步骤102、对固定码书增益进行量化,获得上述一个子帧的固定码书增益的量化值;
对固定码书增益进行量化时,可以进行标量量化,也可以进行矢量量化;如果进行标量量化,可以对固定码书增益直接以均匀的量化步长进行均匀的标量量化,也可以将固定码书增益映射到对数域后进行非均匀的标量量化;
可以进一步对第一个子帧的自适应码书增益进行量化,在对固定码书增益进行量化时,可以进行标量量化,也可以进行矢量量化;如果进行标量量化,可以对自适应码书增益直接以均匀的量化步长进行均匀的标量量化,也可以将自适应码书增益映射到对数域后进行非均匀的标量量化;
步骤103、计算上述一帧信号的其余子帧的固定码书增益;
其余子帧的固定码书增益的计算可以采用式(9)进行计算,也可以采用其他的方式进行计算,具体如何计算其余子帧的固定码书增益并不会影响本发明实施例的实现,因此本发明实施例并不限定其余子帧的固定码书增益的具体计算过程;
步骤104、使用上述一个子帧的固定码书增益的量化值和上述一帧信号的其余子帧的固定码书增益,计算其余子帧的固定码书增益的预测系数;
在上述信号有多个其余子帧时,可以使用上述一个子帧的固定码书增益的量化值分别与其余子帧的固定码书增益计算其余子帧的固定码书增益的预测系数;
步骤105、对其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
可以对其余子帧的固定码书增益的预测系数进行矢量量化或标量量化,但是本发明实施例在对第一个子帧的固定码书增益进行标量量化时,优选对其余子帧的固定码书增益的预测系数进行矢量量化,从而进行标量量化和矢量量化的结合,提高量化精度。
从上可知,本实施例使用第一个子帧的固定码书增益的量化值计算其余子帧的固定码书增益的预测系数,从而使其余子帧的固定码书增益的预测系数与第一个子帧的固定码书增益的量化值相关,充分利用了各个子帧间固定码书增益相关性强的特点,从而不需要计算估计能量值,也不需要对估计能量值进行量化,因此可以节省需要对估计能量值进行量化的比特;在量化比特数量不变时,可以将本应给估计能量值的量化比特分配给一帧信号中的子帧,从而使量化精度增加。
图2描述了本发明实施例提供的增益量化方法实施例二的流程,包括:
步骤201、计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益和自适应码书增益;
步骤202、对上述一个子帧的固定码书增益进行量化,获得上述一个子帧的固定码书增益的量化值;
步骤203、对上述一个子帧的自适应码书进行量化;
步骤202和步骤203并没有时间上的先后顺序;
步骤204、计算上述一帧信号的其余子帧的固定码书增益和自适应码书增益;
步骤205、使用上述一个子帧的固定码书增益的量化值和上述一帧信号的其余子帧的固定码书增益,计算其余子帧的固定码书增益的预测系数;
步骤206、对其余子帧的固定码书增益的预测系数和自适应码书增益进行量化。
可以将固定码书增益的预测系数和自适应码书增益组成二维矢量进行矢量量化,也可以分别进行标量量化。
从上可知,本实施例使用第一个子帧的固定码书增益的量化值计算其余子帧的固定码书增益的预测系数,从而使其余子帧的固定码书增益的预测系数与第一个子帧的固定码书增益的量化值相关,充分利用了各个子帧间固定码书增益相关性强的特点,从而不需要计算估计能量值,也不需要对估计能量值进行量化,因此可以节省需要对估计能量值进行量化的比特;在量化比特数量不变时,可以将本应给估计能量值的量化比特分配给一帧信号中的子帧,从而使量化精度增加。
如下以30个比特对具有4个子帧的一帧信号进行增益量化为例,对本发明实施例提供的增益量化方法进行描述:
首先,计算一帧信号的第一个子帧的自适应码书增益和固定码书增益,具体的,可以采用传统的自适应码书增益和固定码书增益算法计算自适应码书增益和固定码书增益,也可以根据最小均方误差准则计算自适应码书增益和固定码书增益。其中,根据最小均方误差准则计算得到的自适应码书增益是最佳自适应码书增益,根据最小均方误差准则计算得到的固定码书增益是最佳固定码书增益,本发明实施例提供的一种求解最佳自适应码书增益和最佳固定码书增益的方式如下所述:
自适应码书增益用ga表示,固定码书增益用gs表示,为了使对自适应码书增益和固定码书增益进行增益量化时,原始语音和重建语音之间的感知加权均方误差最小,则ga和gs需要满足式(10):
其中,N为激励矢量长度;x0为感知加权语音减去加权合成滤波器Hw(z)的零输入响应的剩余信号;xu′(n)和tj′(n)分别为自适应码书输出的最佳矢量和固定码书输出的最佳矢量通过加权合成滤波器Hw(z)的零状态响应。
从上可知,式(10)可以表示成如下所示的式(11):
对于每个子帧,只有其中的自适应码书增益ga和固定码书增益gs是变量,所以求最佳ga和最佳gs,可以求解使二元函数(12)取最小值的(ga,gs)。
c=ga×ga×c[0]+ga×c[1]+gs×gs×c[2]+gs×c[3]+ga×gs×c[4] (12)
其中二元函数(12)是式(11)去除了R0后的一种描述方式。
根据二元函数极值的求解方法,令e对ga和gs的一阶偏导数为零可得式(13):
根据二元函数(12)和式(13)可以解得使误差最小的最优解,解得的最优解如下所示:
ga=(2×c[1]×c[2]-c[3]×c[4])/(c[4]×c[4]-4×c[0]×c[2])
gs=(c[3]+ga×c]4])/(-2×c[2])
由此就得到了最佳自适应码书增益和最佳固定码书增益,进而对自适应码书增益和固定码书增益进行量化,本发明实施例优选进行标量量化;标量量化可以是均匀标量量化或非均匀标量量化,例如可以对增益直接以均匀的量化步长进行标量量化、或将增益先影射到对数域再进行标量量化;例如对最佳固定码书增益进行5bit非均匀标量量化,先对最佳固定码书增益取对数后乘以10,使其单位为分贝(dB),再进行量化,量化步长可以达到10*1g10(3349.654392/15.848932)/31/2,即0.375dB,可以很好地保证量化精度。由于使用最佳固定码书增益和最佳自适应码书增益可以提高量化精度,因此本发明实施例优选采用最佳固定码书增益和最佳自适应码书增益进行量化。
由于有4个子帧,30个量化比特,因此可以为第一个子帧分配9个比特,剩余的3个子帧每个子帧分配7个比特进行增益量化。在解得了第一个子帧的最佳自适应码书和最佳固定码书增益后,使用4个比特对最佳自适应码书进行增益量化,量化范围可以为0.012445-1.296012;使用5个比特对最佳固定码书增益进行增益量化,量化范围可以为15.848932-3349.654392。由于为第一个子帧分配了9个比特的量化比特,可以进一步提高第一个子帧的量化精度,同时不需要使用2个比特对估计能量值进行量化,提高了量化比特的利用率。
用第一个子帧的固定码书增益的量化值对第二,三,四个子帧的固定码书增益进行预测,然后分别对第二,三,四个子帧的自适应码书增益和固定码书增益的预测系数进行7比特的量化,具体可以是将自适应码书增益与固定码书增益的预测系数一起进行二维矢量量化或分别进行标量量化,本发明实施例优选进行矢量量化,具体可以将自适应码书增益和固定码书增益的预测系数组成一个二维矢量,进而对得到的这个二维矢量进行量化。
本发明实施例使用的固定码书增益的预测系数可以是当前子帧的固定码书增益与所述固定码书增益的量化值的比值,即当前子帧的固定码书增益的预测系数=当前子帧固定码书增益/第一个子帧的固定码书增益的量化值。但是,需要说明的是,上述仅是本发明实施例提供的固定码书增益的预测系数一种计算方式,本发明实施例并不限定仅能采用上述方式计算固定码书增益的预测系数。其中,当前子帧的固定码书增益的计算可以采用本发明实施例提供的方法,也可以采用传统的固定码书增益的计算方法,本发明实施例并不限定当前子帧的固定码书增益具体如何计算。
从上可知,本实施例使用第一个子帧的固定码书增益的量化值计算其余子帧的固定码书增益的预测系数,从而使其余子帧的固定码书增益的预测系数与第一个子帧的固定码书增益的量化值相关,充分利用了各个子帧间固定码书增益相关性强的特点,从而不需要计算估计能量值,也不需要对估计能量值进行量化,因此可以节省需要对估计能量值进行量化的比特;在量化比特数量不变时,可以将本应给估计能量值的量化比特分配给一帧信号中的子帧,从而使量化精度增加;同时,本实施例并没有复杂的对数运算和指数运算,不需要耗费较大的计算量。
再介绍本发明实施例提供的增益量化装置,图3描述了本发明实施例提供的增益量化装置实施例一的结构,包括:
固定码书增益计算单元301,用于计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;计算一帧信号中其余子帧的固定码书增益;
固定码书增益量化单元302,用于对固定码书增益计算单元301计算得到的一个子帧的固定码书增益进行量化,获得上述一个子帧的固定码书增益的量化值;
系数计算单元303,用于使用上述一个子帧的固定码书增益的量化值和其余子帧的固定码书增益,计算其余子帧的固定码书增益的预测系数;
系数量化单元304,用于对系数计算单元303计算得到的其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
从上可知,本实施例使用第一个子帧的固定码书增益的量化值计算其余子帧的固定码书增益的预测系数,从而使其余子帧的固定码书增益的预测系数与第一个子帧的固定码书增益的量化值相关,充分利用各个子帧间固定码书增益相关性强的特点,从而不需要计算预测能量值,也不需要对预测能量值进行量化,可以为第一个子帧分配更多的量化比特,使第一个子帧的量化精度增加。
图4描述了本发明实施例提供的增益量化装置实施例二的结构,包括:
固定码书增益计算单元401,用于计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;计算一帧信号中其余子帧的固定码书增益;
自适应码书增益计算单元402,用于计算上述一个子帧的自适应码书增益;
固定码书增益量化单元403,用于对固定码书增益计算单元401计算得到的上述一个子帧的固定码书增益进行量化,获得上述一个子帧的固定码书增益的量化值;
自适应码书增益量化单元404,用于对自适应码书增益计算单元402计算得到的上述一个子帧的自适应码书增益进行量化;
系数计算单元405,用于使用上述一个子帧的固定码书增益的量化值和其余子帧的固定码书增益,计算其余子帧的固定码书增益的预测系数;
系数量化单元406,用于对系数计算单元405计算得到的其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
从上可知,本实施例使用第一个子帧的固定码书增益的量化值计算其余子帧的固定码书增益的预测系数,从而使其余子帧的固定码书增益的预测系数与第一个子帧的固定码书增益的量化值相关,充分利用了各个子帧间固定码书增益相关性强的特点,从而不需要计算估计能量值,也不需要对估计能量值进行量化,因此可以节省需要对估计能量值进行量化的比特;在量化比特数量不变时,可以将本应给估计能量值的量化比特分配给一帧信号中的子帧,从而使量化精度增加。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括如下步骤:
计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;
对所述固定码书增益进行量化,获得所述一个子帧的固定码书增益的量化值;
使用所述一个子帧的固定码书增益的量化值和其余子帧的固定码书增益,计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数;
对所述其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
还可以包括如下步骤:
计算所述第一个子帧的自适应码书增益;
进一步对所述一个子帧的自适应码书增益进行量化。
还可以包括如下步骤:
计算所述其余子帧的自适应码书增益;
对所述其余子帧的自适应码书增益进行量化。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种增益量化方法及装置进行了详细介绍,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (13)
1、一种增益量化方法,其特征在于,包括:
计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;
对所述固定码书增益进行量化,获得所述一个子帧的固定码书增益的量化值;
使用所述固定码书增益的量化值和所述信号的其余子帧的固定码书增益,计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数;
对所述其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
2、如权利要求1所述的增益量化方法,其特征在于,所述计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数具体为:
计算所述其余子帧中当前子帧的固定码书增益与所述固定码书增益的量化值的比值,所述比值为所述当前子帧的固定码书增益的预测系数。
3、如权利要求1所述的增益量化方法,其特征在于,所述计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益具体为:
计算所述一帧信号中第一个子帧的固定码书增益。
4、如权利要求3所述的增益量化方法,其特征在于,所述计算所述一帧信号中第一子帧的固定码书增益具体为:
计算所述第一个子帧的最佳固定码书增益。
5、如权利要求1至4任一所述的增益量化方法,其特征在于,进一步包括:计算所述一个子帧的自适应码书增益;
对所述一个子帧的自适应码书增益进行量化。
6、如权利要求5所述的增益量化方法,其特征在于,所述计算所述一个子帧的自适应码书增益具体为:计算所述一个子帧的最佳自适应码书增益。
7、如权利要求5所述的增益量化方法,其特征在于,对所述自适应码书增益进行均匀的标量量化或非均匀的标量量化;
对所述固定码书增益进行均匀的标量量化或非均匀的标量量化。
8、如权利要求1至4任一所述的增益量化方法,其特征在于,进一步包括:
计算所述其余子帧的自适应码书增益;
对所述其余子帧的自适应码书增益进行量化。
9、一种增益量化装置,其特征在于,包括:
固定码书增益计算单元,用于计算一帧信号中一个子帧的固定码书增益;
固定码书增益量化单元,用于对所述固定码书增益计算单元计算得到的所述固定码书增益进行量化,获得所述一个子帧的固定码书增益的量化值;
系数计算单元,用于使用所述固定码书增益的量化值和所述信号的其余子帧的固定码书增益,计算所述其余子帧的固定码书增益的预测系数;
系数量化单元,用于对所述系数计算单元计算得到的所述其余子帧的固定码书增益的预测系数进行量化。
10、如权利要求9所述的增益量化装置,其特征在于,所述固定码书增益计算单元用于计算所述一帧信号中第一个子帧的最佳固定码书增益。
11、如权利要求9或10所述的增益量化装置,其特征在于,还包括:
自适应码书增益计算单元,用于计算所述一个子帧的自适应码书增益;
自适应码书增益量化单元,用于对所述自适应码书增益计算单元计算得到的所述一个子帧的自适应码书增益进行量化。
12、如权利要求11所述的增益量化装置,其特征在于,所述自适应码书增益计算单元还用于计算所述其余子帧的自适应码书增益;
所述自适应码书增益量化单元还用于对所述自适应码书增益计算单元计算得到的所述其余子帧的自适应码书增益进行量化。
13、如权利要求11所述的增益量化装置,其特征在于,所述自适应码书增益计算单元用于计算所述一个子帧的最佳自适应码书增益。
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