CN101770777B - 一种线性预测编码频带扩展方法、装置和编解码系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线性预测编码频带扩展方法、装置和编解码系统，该方法包括：将线性预测编码系数组变换到导谱对域获得导谱对系数组，记录导谱对系数组的最后一个导谱对系数；将导谱对系数组变换到导谱频率域以获得导谱频率系数组；在导谱频率域对导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；将扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域获得扩展后导谱对系数组；将记录的最后一个导谱对系数替换扩展后导谱对系数组的最后一个；将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后线性预测编码系数组。本发明实施例对最后一个ISP系数的处理方法避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。

Description

一种线性预测编码频带扩展方法、装置和编解码系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种通信领域中LPC(Linear PredictionCoding，线性预测编码)频带扩展方法、装置和编解码系统。

背景技术

在大多数的通信系统中，如PSTN(Public Switched Telephone Network，公共交换电话网)与GSM(Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统)系统，传输的都是窄带语音信号，0-4KHz的带宽包含了足够的信息并且在某种程度上提供了可接受的话音清晰度和语音可理解性，在带宽资源比较匮乏的时候，传输窄带语音是一种较好的折中办法。但是窄带语音信号还是存在诸多的问题，由于重要的高频信息的丢失，使提高辅音质量极其困难，而且人们更倾向于宽带语音，因为宽带语音信号能够提供更好的自然度，清晰度和可懂度。

虽然宽带语音有诸多的好处，但是短时间内不可能全面部署。这主要是经济方面的原因。要完成所有设备，协议与整个宽带通信系统的建立还需要花费很长的时间。

那么，更为经济的另一种办法是对窄带信息进行重建，人工地加入丢失的宽带信息。这样，原有的通信系统仍然能够使用，只是在信号的接收端将接收到的窄带信号转换为宽带信号。这意味着抽样频率从8KHz提高到16HKz并且丢失的语音信号的高频部分会在接收端被重建。某些场合0～300HKz的低频部分也会被加上。这个过程就被叫做频带扩展。

语音信号的频带扩展包括一些关键的部分。其中一个重要的部分就是对LPC(linear prediction coding，线性预测编码)的系数进行扩展，使得原来窄带的LPC系数变成宽带的LPC系数。也就是从窄带信号的LPC谱包络中恢复出宽带信号的谱包络。

在现有的LPC频带扩展方法中，主要分成两类。第一类包括矢量量化法、矩阵变换法、以及一些基于统计模型的方法，该类方法需要事先对模型进行训练，在解码端进行扩展时，需要额外的信息，例如矢量量化的码本，矩阵变换所需要的矩阵，以及统计模型的参数等。矢量量化法实际上是对语音信号进行硬分类的方法，如果分类错误，将导致非常大的失真。另外在扩展的时候需要进行矢量量化，增加了系统的复杂度，而且进行扩展时的码本需要额外的存储空间，不能跟现有的系统很好的兼容。第二类是使用在AMR-WB、AMR-WB+以及G.718中的外插法，这类方法对LPC进行外插扩展，不需要事先的训练，在扩展时不需要额外的信息。

然而，发明人在实现本发明的过程中，发现上述第二种方法还存在如下缺陷：

1.需要自相关运算，算法复杂度高。

2.最后一个ISF(Immittance Spectral Frequencies，导谱频率)系数的处理上存在问题，在扩展的阶数比较大时，LPC谱包络会出现不稳定的震荡问题。

图1A为直接从ISF系数变换到ISP系数，没有对最后一个ISP系数进行额外的调整导致的ISP系数变大的示意图，图1B为正常的最后一个ISP系数示意图。由于在ISP系数向LPC变换的过程中，最后一个ISP系数是一个能量加权因子，如果这个因子变大的话会使得LPC滤波器不稳定，也就是LPC滤波器的极点更加接近单位圆，如图1C所示能量加权因子过大造成的极点接近单位圆的示意图，图1D为正常LPC极点示意图，其中小圆为LPC极点，小方块为ISP的值。

图2A和图2B分别表示了用现有技术二扩展出来的LPC频谱。图1和图2分别对应浊音和清音的情况。图中由上到下依次为：原始宽带信号的LPC频谱包络；此时对应的ISF差值；采用现有技术二扩展后的LPC频谱包络；采用现有技术二对应的扩展后的ISF差值。从图中可以看出，由于扩展不当，使得扩展出来的宽带LPC频谱出现尖刺。而且扩展后的ISF差值与原始的ISF差值相差也比较大。

发明内容

本发明实施例提供一种线性预测编码频带扩展方法、装置和编解码系统，以解决现有的频带扩展方法中对最后一个ISF系数处理不当，导致在扩展的阶数比较大时，LPC谱包络出现不稳定的震荡的问题。

本发明实施例的技术方案如下：

一种线性预测编码频带扩展方法，所述方法包括：将线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组，并记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；将所述导谱对系数组变换到导谱频率域以获得导谱频率系数组；在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域以获得扩展后导谱对系数组；将所述记录的最后一个导谱对系数替换扩展后导谱对系数组的最后一个导谱对系数；将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后线性预测编码系数组。

一种线性预测编码频带扩展装置，所述装置包括：第一变换单元，用于将线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数在于；记录单元，用于记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；第二变换单元，用于将所述导谱对系数组变换到导谱频率域，获得导谱频率系数组；频带扩展单元，用于在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；第三变换单元，用于将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域，获得扩展后导谱对系数组；第四变换单元，用于将记录单元记录的最后一个导谱对系数替换通过第三变换单元获得的扩展后导谱对系数组中的最后一个导谱对系数，并将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后线性预测编码系数组。

一种编码系统，所述编码系统包括编码装置和扩展装置，所述扩展装置包括：第一变换单元，用于将线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组；记录单元，用于记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；第二变换单元，用于将所述导谱对系数组变换到导谱频率域，获得导谱频率系数组；频带扩展单元，用于在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；第三变换单元，用于将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域，获得扩展后导谱对系数组；第四变换单元，用于将记录单元记录的最后一个导谱对系数替换通过第三变换单元获得的扩展后导谱对系数组中的最后一个导谱对系数，并将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后线性预测编码系数组。

一种解码系统，所述解码系统包括解码装置和扩展装置，所述扩展装置包括：第一变换单元，用于将线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组；记录单元，用于记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；第二变换单元，用于将所述导谱对系数组变换到导谱频率域，获得导谱频率系数组；频带扩展单元，用于在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；第三变换单元，用于将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域，获得扩展后导谱对系数组；第四变换单元，用于将记录单元记录的最后一个导谱对系数替换通过第三变换单元获得的扩展后导谱对系数组中的最后一个导谱对系数，并将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后线性预测编码系数组。

通过本发明实施例的方法、装置和编解码系统，由于对最后一个ISP系数采取了正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性，又由于直接对LPC系数进行扩展，无须使用任何额外的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为现有技术中从ISF系数变换到ISP系数，最后一个ISP系数变大的示意图；

图1B为正常的最后一个ISP系数的示意图；

图1C为LPC过大造成的极点接近单位圆的示意图；

图1D为正常的LPC极点示意图；

图2A为本发明实施例现有频带扩展方法二对浊音信号的扩展情况；

图2B为本发明实施例现有频带扩展方法二对清音信号的扩展情况；

图3为本发明实施例的方法流程图；

图4为扩展带宽和扩展阶数之间的关系示意图；

图5为本发明另一实施例的方法流程图；

图6A为浊音信号下窄带LPC的第二个反射系数示意图；

图6B为清音信号下窄带LPC的第二个反射系数示意图；

图7为本发明另一实施例的方法流程图；

图8为本发明另一实施例的方法流程图；

图9为本发明实施例的装置组成框图；

图10为本发明另一实施例的装置组成框图；

图11为本发明另一实施例的装置组成框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种线性预测编码频带扩展方法，以下结合附图对本实施例进行详细说明。

图3为本实施例的方法流程图，本实施例的LPC频带扩展方法不需要额外的信息，通过对LPC系数进行外插获得扩展后的LPC系数。

在本实施例中，是将LPC阶数从M阶扩展到J阶，频谱从0-B1Hz扩展到0-B2Hz。为了保证扩展前后LPC包络增益一致，扩展带宽和扩展阶数之间满足(B2-B1)/(J-M)＝B1/M。对应到ISP就是：最后一个ISP系数除外，大于零的ISP比小于零的ISP系数个数多一个。如图4所示。

请参照图3，本实施例的方法主要包括：

301：将线性预测编码LPC系数组变换到导谱对ISP(Immittance SpectralPair，导谱对)域以获得ISP系数组，并记录所述ISP域的最后一个ISP系数；

302：将所述ISP系数组变换到导谱频率ISF域，获得ISF系数组；

303：在ISF域对所述ISF系数组进行频带扩展，获得扩展后ISF系数组；

304：将所述扩展后ISF系数组变换到ISP域，生成扩展后ISP系数组；

305：将所记录的最后一个ISP系数替换扩展后ISP系数组的最后一个；

306：将替换了最后一个导谱对系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组。

本实施例首先将待扩展的LPC系数组变化到ISP域以获得ISP系数组，并记录最后一个ISP系数，然后将ISP系数组变化到ISF域获得ISF系数组，在ISF域对所述ISF系数组完成频带扩展，然后将完成频带扩展的ISF系数组变化到ISP域获得扩展后ISP系数组，并将记录的最后一个ISP系数替换扩展后ISP系数组中的最后一个ISP系数，以保持该最后一个ISP系数在扩展前后不变，最后将上述替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组，从而完成LPC频带扩展。

通过本发明实施例对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

实施例二

本发明实施例还提供一种线性预测编码频带扩展方法，以下结合附图对本实施例进行详细说明。

图5为本实施例的方法流程图，本实施例的方法为基于匹配搜索的LPC频带扩展方法。该方法适用于扩展范围较小，即B2与B1相差较小的情况。请参照图5，本实施例的方法主要包括：

501：将线性预测编码LPC系数组变换到导谱对ISP域以获得ISP系数组，并记录所述ISP域的最后一个ISP系数；

502：将所述ISP系数组变换到导谱频率ISF域，获得ISF系数组；

503：在ISF域对所述ISF系数组进行频带扩展，获得扩展后ISF系数组；

在本实施例中，该步骤503进一步包括：

5031：计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值；

5032：根据所述ISF系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

5033：将所述位置之后的ISF系数差值作为扩展后ISF差值；

5034：根据信号特征调整所述扩展后ISF差值；

5035：根据所述调整的扩展后ISF差值获得扩展后的ISF系数组。

504：将所述扩展后ISF系数组变换到ISP域，生成扩展后ISP系数组；

505：将所记录的最后一个ISP系数替换扩展后ISP系数组中的最后一个；

506：将通过步骤505替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组。

为清楚说明本实施例的LPC频带扩展方法，下面通过举例的方式加以说明，在本实施例中，是将LPC阶数从M阶扩展到J阶，频谱从0-B1Hz扩展到0-B2Hz。为了保证扩展前后LPC包络增益一致，扩展带宽和扩展阶数之间满足(B2-B1)/(J-M)＝B1/M。

本实施例的LPC频带扩展方法主要包括以下步骤：

第一步：将LPC系数组a(i)，i＝1…M变换到ISP域，并记录最后一个ISP系数a(M)。再将ISP系数组变换到ISF域，获得ISF系数组f(i)，i＝1…M，并计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值fd(i)＝f(i+1)-f(i)，i＝1…N，N＝M-2。

第二步：计算匹配距离， $d\left(j\right)=\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{fd}(N-i)-\mathrm{fd}(N-1-i-j)|,$ j＝1…N-K-1，并找到最小的d(j)，记录此时的匹配位置POS＝j。

第三步：将匹配位置POS之后的ISF差值作为扩展之后的ISF差值，即：

${\mathrm{fd}}^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{fd}\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ \mathrm{fd}(i-\mathrm{POS})& i=N\·\·\·J-1\end{array}\right..$

第四步：根据分类信息，如信号特征对扩展出来的ISF差值fd’(i)，i＝N…J-1进行调整。

在本实施例中，信号特征可以从外界输入，例如在进行LPC频带扩展之前已经由外界确定了信号特征，则可以直接提供给实现本实施例的方法的装置，根据所述外界确定的信号特征调整ISF差值；也可以从LPC系数中获得，比如将LPC系数变换成反射系数，仅从第二个反射系数就可以部分的确定信号所属的类别。如图6A和图6B所示的窄带LPC的第二个反射系数，由图6A、图6B可知，图6A为浊音信号，图6B为清音信号。

在本实施例中，调整扩展出来的ISF差值fd’(i)包括：

根据所述ISF差值fd’(i)，获得扩展后的ISF系数组为：

$f^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}f\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ f^{\′}(i-1)+{\mathrm{fd}}^{\′}\left(i\right)& i=N\·\·\·J-1\end{array}\right..$

由于需要使得扩展出来的最大的ISF系数在扩展的频带范围以内，即f′(J-1)＜B2。因此，首先计算比例因子：C_scale＝(f′(J-1)-f′(N))/(B2-f′(N))，获得调整后的ISF差值fd″(i)为：

fd″(i)＝fd′(i)*C_scale    i＝N…J-1。

第五步：由ISF差值获得扩展之后的ISF系数组。

$f^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}f\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ f^{\′}(i-1)+{\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)& i=N\·\·\·J-1\end{array}\right..$

第六步：将扩展之后的ISF系数组变换为扩展后ISP系数组，并将第一步记录下来的ISP系数替换该扩展后ISP系数组的最后一个ISP系数。

第七步：将替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组，从而完成LPC频带扩展。

本实施例提供了一种基于匹配搜索的LPC频带扩展的方法，该方法首先将LPC系数组变换到ISF域，并计算ISF系数的差值，以ISF差值最后的K个系数作为模版，与ISF差值进行匹配搜索，找到最佳匹配位置，并将最佳匹配位置之后的ISF差值作为扩展ISF差值，然后根据信号的特征，调整扩展ISF差值，并获得扩展后的ISF系数组，最后将扩展后的ISF系数组变换成扩展后的LPC系数组，从而完成频带扩展。

通过本发明实施例对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于不用自相关法，而采用差值法，降低了复杂度。且由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

实施例三

本发明实施例还提供一种线性预测编码频带扩展方法，以下结合附图对本实施例进行详细说明。

图7为本实施例的方法流程图，本实施例的方法为基于等差法的LPC频带扩展方法，该方法算法简单，适用于仅仅需要频带扩展，而不需要精确获得扩展LPC频谱包络的情况。请参照图7，本实施例的方法主要包括：

701：将线性预测编码LPC系数组变换到导谱对ISP域以获得ISP系数组，并记录所述ISP域的最后一个ISP系数；

702：将所述ISP系数组变换到导谱频率ISF域，获得ISF系数组；

703：在ISF域对所述ISF系数组进行频带扩展，获得扩展后ISF系数组；

在本实施例中，该步骤703进一步包括：

7031：计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值；

7032：根据信号特征确定最高的可扩展频率范围；

7033：根据所述最高可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后ISF差值；

7034：根据所述扩展后ISF差值获得扩展后ISF系数组。

704：将所述扩展后ISF系数组变换到ISP域，获得扩展后ISP系数组；

705：将所记录的最后一个ISP系数替换该扩展后ISP系数组的最后一个ISP系数；

706：将替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组。

为清楚说明本实施例的LPC频带扩展方法，下面通过举例的方式加以说明，在本实施例中，是将LPC阶数从M阶扩展到J阶，频谱从0-B1Hz扩展到0-B2Hz。为了保证扩展前后LPC包络增益一致，扩展带宽和扩展阶数之间满足(B2-B1)/(J-M)＝B1/M。

本实施例的LPC频带扩展方法主要包括以下步骤：

第一步：将LPC系数组a(i)，i＝1…M变换到ISP域，并记录最后一个ISP系数a(M)。再将ISP系数组变换到ISF域，获得ISF系数组f(i)，i＝1…M，并计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值fd(i)＝f(i+1)-f(i)，i＝1…N，N＝M-2。

第二步：根据分类信息，如信号特征确定最高的可扩展的频率范围，清音对应的最高频率V较浊音对应的最高频率U要低。信号特征可以从外界输入，也可以从LPC系数中获得，实施例二已作说明，在此不再赘述。

第三步：根据所述的可扩展频率范围确定扩展出来的ISF差值的大小。清音为(V-f(M-1))/(J-M)，浊音为(U-f(M-1))/(J-M)。从而获得清音和浊音的ISF差值分别为：

${\mathrm{fd}}^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{fd}\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ (V-f(M-1))/(J-M)& i=N\·\·\·J-1\end{array}\right.;$

${\mathrm{fd}}^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{fd}\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ (U-f(M-1))/(J-M)& i=N\·\·\·J-1\end{array}\right..$

第四步：由所述的ISF差值获得扩展之后的ISF系数组。

$f^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}f\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ f^{\′}(i-1)+{\mathrm{fd}}^{\′}\left(i\right)& i=N\·\·\·J-1\end{array}\right..$

第五步：将所述扩展之后的ISF系数组变换为扩展后ISP系数组，并将第一步记录下来的ISP系数替换该扩展后ISP系数组的最后一个ISP系数。

第六步：将替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组，从而完成LPC频带扩展。

本实施例提供了一种基于等差法的LPC频带扩展方法，该方法首先将LPC系数组变换到ISF域，根据信号的特性，确定可扩展的最高ISF值，根据ISF系数的最大值以及最大可扩展ISF值，确定扩展的频率范围，进一步由该频率范围和扩展阶数确定扩展的ISF差值，然后获得扩展之后的ISF值。最后将ISF系数组变换成LPC系数组，从而完成频带扩展。

通过本发明实施例对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于不用自相关法，而采用差值法，降低了复杂度。且由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

实施例四

本发明实施例还提供一种线性预测编码频带扩展方法，以下结合附图对本实施例进行详细说明。

图8为本实施例的方法流程图，本实施例的方法分成两个阶段，第一阶段采用匹配搜索法，第二阶段采用等差法来进行LPC频带扩展。该方法适用于B2与B1相比较大的情况，并且又需要扩展之后的LPC包络与未扩展的LPC包络之间保持一定的相关性的情况。请参照图8，本实施例的方法主要包括：

801：将线性预测编码LPC系数组变换到导谱对ISP域以获得ISP系数组，记录所述ISP域的最后一个ISP系数；

802：将所述ISP系数组变换到导谱频率ISF域，获得ISF系数组；

803：在ISF域对所述ISF系数组进行频带扩展，获得扩展后ISF系数组；

在本实施例中，该步骤803进一步包括：

8031：计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值；

8032：根据所述ISF系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

8033：将所述位置之后的ISF系数差值作为扩展后ISF差值；

8034：根据信号特征调整所述扩展后ISF差值，获得调整后的扩展后ISF差值；

8035：根据所述调整后的扩展后ISF差值获得扩展后ISF系数组的最大值；

8036：根据信号特征确定可扩展的最高ISF值；

8037：根据所述扩展后ISF系数组的最大值和所述可扩展最高ISF值确定可扩展频率范围；

8038：根据所述可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后ISF系数组。

804：将所述扩展后ISF系数组变换到ISP域，获得扩展后ISP系数组；

805：将所记录的最后一个ISP系数替换扩展后ISP系数组的最后一个ISP系数；

806：将替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组。

为清楚说明本实施例的LPC频带扩展方法，下面通过举例的方式加以说明，在本实施例中，是将LPC阶数从M阶扩展到J阶，频谱从0-B1Hz扩展到0-B2Hz。为了保证扩展前后LPC包络增益一致，扩展带宽和扩展阶数之间满足(B2-B1)/(J-M)＝B1/M。

本实施例的LPC频带扩展方法主要包括以下步骤：

第一步：将LPC系数组a(i)，i＝1…M变换到ISP域，并记录最后一个ISP系数a(M)，再将ISP系数组变换到ISF域，获得ISF系数组f(i)，i＝1…M，并计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值fd(i)＝f(i+1)-f(i)，i＝1…N，N＝M-2。

第二步：计算匹配距离， $d\left(j\right)=\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{fd}(N-i)-\mathrm{fd}(N-1-i-j)|,$ j＝1…N-K-1，并找到最小的d(j)，记录此时的匹配位置POS＝j。

第三步：将所述匹配位置POS之后的ISF差值作为扩展之后的ISF差值，即：

${\mathrm{fd}}^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{fd}\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ \mathrm{fd}(i-\mathrm{POS})& i=N\·\·\·N+\mathrm{POS}-1\end{array}\right..$

第四步：根据分类信息，如信号特征对扩展出来的ISF差值fd’(i)，i＝N…N+POS-1进行调整。

在本实施例中，对于浊音信号来说，随着频率的升高，LPC包络的起伏也变小，所以需要将扩展出来的ISF差值进行3中值滤波以降低变化的起伏性，另外，LPC包络的增益随着频率的增高而变小，对应到ISF的差值上，就是逐渐变大，所以需要进行递增加权，比如POS值为3时，加权值为[0.7，0.8，0.9]，而POS值为4时，加权值为[0.6，0.7，0.8，0.9]。

在本实施例中，对于清音信号而言，LPC包络的增益随着频率的增高而变大，对应到ISF的差值上，就是逐渐变小，所以需要进行递减加权，比如POS值为3时，加权值为[0.9，0.8，0.7]，而POS值为4时，加权值为[0.9，0.8，0.7，0.6]。分类信息可以从外界输入，也可以从LPC系数中获得，实施例二已作说明，在此不再赘述。获得调整后的ISF差值fd″(i)。

第五步：由所述的ISF差值fd″(i)获得该第一阶段扩展之后的ISF系数组。

$f^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}f\left(i\right)& i=0\·\·\·N-1\\ f^{\′}(i-1)+{\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)& i=N\·\·\·N+\mathrm{POS}-1\end{array}\right..$

第六步：此时进入第二阶段的扩展，用等差法确定扩展出来的ISF差值的大小。根据分类信息，如信号特征确定最高的可扩展的频率范围，清音对应的最高频率V较浊音对应的最高频率U要低，从而获得清音和浊音的ISF差值分别为：

${\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)& i=0\·\·\·N+\mathrm{POS}-1\\ (V-f^{\′}(N+\mathrm{POS}-1))/(J-M-\mathrm{POS})& i=N+\mathrm{POS}\·\·\·J-1\end{array}\right.;$

${\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)& i=0\·\·\·N+\mathrm{POS}-1\\ (U-f^{\′}(N+\mathrm{POS}-1))/(J-M-\mathrm{POS})& i=N+\mathrm{POS}\·\·\·J-1\end{array}\right..$

第七步：由所述的ISF差值获得该第二阶段扩展之后的ISF系数组。

$f^{\′}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}^{\′}\left(i\right)& i=0\·\·\·N+\mathrm{POS}-1\\ f^{\′}(i-1)+{\mathrm{fd}}^{\′\′}\left(i\right)& i=N+\mathrm{POS}\·\·\·J-1\end{array}\right..$

第八步：将所述的扩展后ISF系数组f’(i)变换为ISP系数组，并将第一步记录下来的ISP系数替换扩展后ISP系数组的最后一个ISP系数。

第九步：将替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组，从而完成LPC频带扩展。

本实施例提供了一种基于匹配搜索和等差法的LPC频带扩展的方法，该方法分成两个阶段，第一阶段采用匹配搜索法，第二阶段采用等差法。在第一阶段，首先将LPC系数组变换到ISF域，并计算ISF系数的差值。以ISF差值最后的K个系数作为模版，与ISF差值进行匹配搜索，找到最佳匹配位置，并将最佳匹配位置之后的ISF差值作为扩展ISF差值，然后根据信号的特征，调整扩展ISF差值，获得扩展后的ISF系数组。在第二阶段，根据信号的特性，确定可扩展的最高ISF值，根据第一阶段扩展后的ISF系数组的最大值以及最大可扩展ISF值，确定第二阶段扩展的频率范围，进一步由该频率范围和扩展阶数确定扩展的ISF差值，然后获得扩展之后的ISF值，最后将ISF系数组变换成LPC系数组，从而完成频带扩展。

通过本发明实施例对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于不用自相关法，而采用差值法，降低了复杂度。且由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

实施例五

本发明实施例还提供一种线性预测编码频带扩展装置，以下结合附图对本实施例进行详细说明。

图9为本实施例的装置组成框图，本实施例的装置对应于前述实施例的方法，请参照图9，本实施例的线性预测编码频带扩展装置主要包括：

第一变换单元91，用于将LPC系数组变换到ISP域以获得ISP系数组；

记录单元92，用于记录所述ISP域的最后一个ISP系数；

第二变换单元93，用于将所述ISP系数组变换到ISF域，获得ISF系数组；

频带扩展单元94，用于在ISF域对所述ISF系数组进行频带扩展，获得扩展后ISF系数组；

第三变换单元95，用于将所述扩展后ISF系数组变换到ISP域，获得扩展后ISP系数组；

第四变换单元96，用于将所记录的最后一个ISP系数替换扩展后ISP系数组的最后一个，并将替换了最后一个ISP系数的扩展后ISP系数组变换成扩展后LPC系数组。

在本实施例中，上述频带扩展单元94可以包括：

第一计算模块941，用于计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值；

第二计算模块942，用于根据所述ISF系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

调整模块943，用于将所述位置之后的ISF系数差值作为扩展后ISF差值，并根据信号特性调整所述扩展后ISF差值，然后根据所述调整后的扩展后ISF差值获得扩展后ISF系数组。

在图9所示的实施例中，各功能模块的工作过程已在实施例二中做过清楚说明，在此不再赘述。

在本实施例中，上述频带扩展单元94还可以包括：

计算模块1041，用于计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值；

调整模块1042，用于根据信号特性确定最高的可扩展频率范围，然后根据所述最高可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后ISF差值，并根据所述扩展后ISF差值获得扩展后ISF系数组。详见图10。

在图10所示的实施例中，各功能模块的工作过程已在实施例三中做过清楚说明，在此不再赘述。

在本实施例中，上述频带扩展单元94还可以包括：

第一计算模块1141，用于计算除最后一个ISF系数外的ISF系数差值；

第二计算模块1142，用于根据所述ISF系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

第一调整模块1143，用于将所述位置之后的ISF系数差值作为扩展后ISF差值，并根据信号特性调整所述扩展后ISF差值，获得调整后的扩展后ISF差值，然后根据所述调整后的扩展后ISF差值获得扩展后ISF系数组的最大值；

第二调整模块1144，用于根据信号特性确定可扩展的最高ISF值，然后根据所述扩展后ISF系数组的最大值和所述可扩展最高ISF值确定可扩展频率范围，并根据所述可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后ISF系数组。详见图11。

在图11所示的实施例中，各功能模块的工作过程已在实施例四中做过清楚说明，在此不再赘述。

通过本发明实施例的线性预测编码频带扩展装置对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于不用自相关法，而采用差值法，降低了复杂度。且由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

实施例六

本发明实施例还提供一种编码系统，包括编码装置和扩展装置，其中，扩展装置可以通过实施例五的线性预测编码频带扩展装置实现，在此不再赘述。

通过本发明实施例的编码系统中的线性预测编码频带扩展装置对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于不用自相关法，而采用差值法，降低了复杂度。且由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

实施例七

本发明实施例还提供一种解码系统，包括解码装置和扩展装置，其中，扩展装置可以通过实施例五的线性预测编码频带扩展装置实现，在此不再赘述。

通过本发明实施例的解码系统中的线性预测编码频带扩展装置对最后一个ISP系数正确的处理方法，避免了LPC频谱的震荡，很好保持了LPC频谱的特性。由于不用自相关法，而采用差值法，降低了复杂度。且由于直接对LPC系数组进行扩展，无须使用任何额外的信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种语音信号的线性预测编码频带扩展方法，其特征在于，所述方法包括：

将语音信号的线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组，并记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；

将所述导谱对系数组变换到导谱频率域以获得导谱频率系数组；

在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；

将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域以获得扩展后导谱对系数组；

将所述记录的最后一个导谱对系数替换扩展后导谱对系数组的最后一个；

将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后语音信号的线性预测编码系数组；

所述在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组的步骤包括：

计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值；

根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值；

根据所述调整后的扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组的步骤替代为，包括：

计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

根据语音信号特征确定最高的可扩展频率范围；

根据所述最高的可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后导谱频率差值；

根据所述扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组的步骤替代为，包括：

计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值；

根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，获得调整后的扩展后导谱频率差值；

根据调整后的扩展后导谱频率差值获得调整后的扩展后导谱频率系数组的最大值；

根据语音信号特征确定可扩展的最高导谱频率值；

根据所述扩展后导谱频率系数组的最大值和所述可扩展的最高导谱频率值确定可扩展频率范围；

根据所述可扩展频率范围和扩展阶数获得所述扩展后导谱频率系数组。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，获得调整后的扩展后导谱频率差值的步骤包括：

如果为浊音信号，则对所述扩展后导谱频率差值进行3中值滤波，然后对滤波后的所述扩展后导谱频率差值进行递增加权；

如果为清音信号，则对所述扩展后导谱频率差值进行递减加权。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述语音信号特征从语音信号的线性预测编码系数中获得。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，从语音信号的线性预测编码系数中获得语音信号特征的步骤包括：

将语音信号的线性预测编码系数变换成反射系数；

从所述反射系数中的第二个反射系数确定语音信号特征。

7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述语音信号特征从外界输入。

8.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法是将线性预测编码阶数从M阶扩展到J阶，频谱从0-B1Hz扩展到0-B2Hz，其中，扩展带宽之差与扩展阶数之差的比与原带宽和原阶数的比相同。

9.一种语音信号的线性预测编码频带扩展装置，其特征在于，所述装置包括：

第一变换单元，用于将语音信号的线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组；

记录单元，用于记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；

第二变换单元，用于将所述导谱对系数组变换到导谱频率域，获得导谱频率系数组；

频带扩展单元，用于在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；

第三变换单元，用于将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域，获得扩展后导谱对系数组；

第四变换单元，用于将记录单元记录的最后一个导谱对系数替换通过第三变换单元获得的扩展后导谱对系数组中的最后一个导谱对系数，并将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后语音信号的线性预测编码系数组；

所述频带扩展单元包括：

第一计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

第二计算模块，用于根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

调整模块，用于将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值，并根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，然后根据所述调整的扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述频带扩展单元替代为，包括：

计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

调整模块，用于根据语音信号特征确定最高的可扩展频率范围，然后根据所述最高的可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后导谱频率差值，并根据所述扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述频带扩展单元替代为，包括：

第一计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

第二计算模块，用于根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

第一调整模块，用于将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值，并根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，获得调整后的扩展后导谱频率差值，然后根据所述调整后的扩展后导谱频率差值获得扩展后导谱频率系数组的最大值；

第二调整模块，用于根据语音信号特征确定可扩展的最高导谱频率值，然后根据所述扩展后导谱频率系数组的最大值和所述可扩展的最高导谱频率值确定可扩展频率范围，并根据所述可扩展频率范围和扩展阶数获得所述扩展后导谱频率系数组。

12.一种语音信号的编码系统，其特征在于，所述编码系统包括编码装置和扩展装置，所述扩展装置包括：

第一变换单元，用于将语音信号的线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组；

记录单元，用于记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；

第二变换单元，用于将所述导谱对系数组变换到导谱频率域，获得导谱频率系数组；

频带扩展单元，用于在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；

第三变换单元，用于将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域，获得扩展后导谱对系数组；

第四变换单元，用于将记录单元记录的最后一个导谱对系数替换通过第三变换单元获得的扩展后导谱对系数组中的最后一个导谱对系数，并将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后语音信号的线性预测编码系数组；

所述频带扩展单元包括：

第一计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

第二计算模块，用于根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

调整模块，用于将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值，并根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，然后根据所述调整的扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述频带扩展单元替代为，包括：

计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

调整模块，用于根据语音信号特征确定最高的可扩展频率范围，然后根据所述最高的可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后导谱频率差值，并根据所述扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述频带扩展单元替代为，包括：

第一计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

第二计算模块，用于根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

第一调整模块，用于将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值，并根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，获得调整后的扩展后导谱频率差值，然后根据所述调整后的扩展后导谱频率差值获得扩展后导谱频率系数组的最大值；

第二调整模块，用于根据语音信号特征确定可扩展的最高导谱频率值，然后根据所述扩展后导谱频率系数组的最大值和所述可扩展的最高导谱频率值确定可扩展频率范围，并根据所述可扩展频率范围和扩展阶数获得所述扩展后导谱频率系数组。

15.一种语音信号的解码系统，其特征在于，所述解码系统包括解码装置和扩展装置，所述扩展装置包括：

第一变换单元，用于将语音信号的线性预测编码系数组变换到导谱对域以获得导谱对系数组；

记录单元，用于记录所述导谱对系数组的最后一个导谱对系数；

第二变换单元，用于将所述导谱对系数组变换到导谱频率域，获得导谱频率系数组；

频带扩展单元，用于在导谱频率域对所述导谱频率系数组进行频带扩展，获得扩展后导谱频率系数组；

第三变换单元，用于将所述扩展后导谱频率系数组变换到导谱对域，获得扩展后导谱对系数组；

第四变换单元，用于将记录单元记录的最后一个导谱对系数替换通过第三变换单元获得的扩展后导谱对系数组中的最后一个导谱对系数，并将替换了最后一个导谱对系数的扩展后导谱对系数组变换成扩展后语音信号的线性预测编码系数组；

所述频带扩展单元包括：

第一计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

第二计算模块，用于根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

调整模块，用于将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值，并根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，然后根据所述调整的扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述频带扩展单元替代为，包括：

计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

调整模块，用于根据语音信号特征确定最高的可扩展频率范围，然后根据所述最高的可扩展频率范围和扩展阶数获得扩展后导谱频率差值，并根据所述扩展后导谱频率差值获得所述扩展后导谱频率系数组。

17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述频带扩展单元替代为，包括：

第一计算模块，用于计算除最后一个导谱频率系数外的导谱频率系数差值；

第二计算模块，用于根据所述导谱频率系数差值计算匹配距离，获得最小匹配距离的位置；

第一调整模块，用于将所述位置之后的导谱频率系数差值作为扩展后导谱频率差值，并根据语音信号特征调整所述扩展后导谱频率差值，获得调整后的扩展后导谱频率差值，然后根据所述调整后的扩展后导谱频率差值获得扩展后导谱频率系数组的最大值；

第二调整模块，用于根据语音信号特征确定可扩展的最高导谱频率值，然后根据所述扩展后导谱频率系数组的最大值和所述可扩展的最高导谱频率值确定可扩展频率范围，并根据所述可扩展频率范围和扩展阶数获得所述扩展后导谱频率系数组。

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