CN1135003C

CN1135003C - 滤波话音信号的装置和方法,接收机和电话通信系统

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Publication number: CN1135003C
Application number: CNB991203275A
Authority: CN
Inventors: 卢红旗; G·米特; D·帕雷勒－米茨奥瓦
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2004-01-14
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: US6167371A; EP0989544A1; TW444440B; KR20000028699A; FR2783651A1; CN1249639A; JP2000099095A

Abstract

本发明涉及一种滤波器装置和方法，电话接收机以及一个通信系统，用于滤波具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的一个话音信号，以改善该信号的清晰度。为此目的，使用一个预测话音信号分析电路来确定其系数为LPC参量的多项式，以及计算装置，用于综合处理基于该多项式的零点/极点类型的一个数字后置滤波器。该装置包括一个提取电路，用于通过提取该多项式的根选择极点的值，以及一个内插电路，用于在所说极点之间产生该后置滤波器的零点值。应用：话音处理，电话通信，移动无线电话。

Description

滤波话音信号的装置和方法，接收机和电话通信系统

本发明涉及用于滤波话音信号的数字滤波器装置，具有由谷值分开的频率频谱特征斜率，该装置包括一个话音信号的予测分析电路以及一个计算单元，用于综合处理一个数字零-极点后置滤波器，试图放大该谷值的斜率和深度。

本发明还涉及一种电话接收机，用于接收具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的话音信号，该接收机包括一个话音信号的预测分析电路以及一个计算单元，用于综合处理一个数字零-极点后置滤波器，试图放大该谷值的斜率和深度。

本发明涉及一个基带话音信号通信系统，该系统具有至少一个传输通道并包括：

·一个预测话音编码器/解码器，用于根据由所说通道传输的原始编码信号储存数字话音信号，

·一个滤波器块，用于滤波所说数字话音信号。

本发明还涉及一种滤波器方法，用于滤波具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的话音信号，以便增加斜率和加深谷值，该方法包括：

·一个话音信号的预测分析步骤，用于确定LPC系数，

·一个计算步骤，用于根据所说LPC系数综合处理一个零/极点滤波器，以及

·一个滤波步骤，用于将所说综合滤波器施加到该话音信号。

最后本发明涉及由将一数字零/极点滤波器施加到具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的第一话音信号而得到的一个话音信号，第一话音信号可借助一个反向全-极点LPC滤波器模型化。

本发明在话音呼叫中应用甚广，特别是在移动无线电话系统中。

公开的美国专利US4,617,676描述了一种数字通信系统，在其输入端上接收具有由谷值散布的频率频谱特征斜率的话音信号，该系统包括一个预测话音解码器，用于确定该接收信号的预测参量，以及一个后置滤波器块，用于在输出端上产生按该预测参量修正的信号，从而增加斜率和加深谷值。

后置滤波的重要性在于由于改进了清晰度从而增进话音信号的音频质量，由此更好地响应了用户的需要，以下，术语后置滤波器指定为改善信号音频质量的滤波器。

引证的现有技术是应用到一个数字通信系统，在发射机端包括一个预测话音编码器，用于基于由一个零/极点的LPC分析滤波器即有多个极点和零点的LPC分析滤波器得到的LPC参数(线性预测编码)产生一种话音模型，以及在接收机端包括一个预测解码器，用于基于借助一个LPC综合滤波器的接收模型储存话音信号以及后置滤波器装置，用于随由该预测话音编码产生的LPC参量的改变来改善储存信号的质量。对于该后置滤波，有必要综合一个称为零/极点型的后置滤波器的数字滤波器，其零点和极点的值除一个因数外相应LPC分析滤波器的零点和极点的值。为了构成该后置滤波器，引证的美国专利提供使用通过由语音编码器实现的LPC分析而得到的并传输到解码器的极点和零点。之后由解码器接收的极点和零点的值分别位于输入信号的同一频率斜率位置和谷值。

另一方面，本发明提供的是仅使用由一个LPC分析确定的极点以及通过在来自该LPC分析的极点值之间的内插计算后置滤波器的零点的值。当用一种精度确定其位置可固定的零点时，结果有更大的适应性，这取决于试图获得输出信号的质量和清晰度。此外，本发明兼容最广泛的GSM(全球移动通信系统)无线电话话音编码，特别是按照推荐的ETS 300 961的全费率话音编码器(参照其97年12月2版第3段)。该编码器同仅传输极点的值到解码器的全-极点LPC分析滤波器工作。

按照本发明，提供了在开始段定义的一个滤波器装置和一个电话接收机，其特征在于它们包括一个提取电路，用于从预测分析电路输出提取极点的值并将其施加到计算单元，以及内插装置，在所说极点的值之间确定零点的值。

本发明还提供了在开始段定义的一个通信系统，其特征在于滤波器块包括计算装置，用于综合处理一个数字零/极点滤波器，一个提取电路，用于从预测话音编码器/解码器输出提取极点的值，以及内插装置，在所说极点的值之间确定零点的值。

还提供了在开始段定义的类型的一种方法，其特征在于计算步骤包括：

·-提取步骤，提取基于所说LPC系数形成的LPC多项式的根，用于由其导出极点的值，以及

·-内插步骤，在所说极点的值之间确定零点的所说值。

最后，本发明应用在开始段描述的一个信号，其特征在于零/极点滤波器的极点的值由从所说反向LPC滤波器提取极点得到，以及零点的值通过在全-极点滤波器的所说极点的值之间的内插计算得到。

当该信号已在先经受预测LPC分析，以及当其LPC参量在后置滤波时刻得到时，本发明是特别有优越性的。

参照以下描述的非限制性实施例，将明白本发明的这些和其他方面。

附图中：

图1是包括两条曲线的图，表示在按本发明滤波前和后一个话音信号的频谱，

图2表示按本发明的一种滤波器装置的图，

图3是说明按本发明的一种滤波方法的流程图，

图4是按本发明的一种基带通信系统的基本电路图，

图5是在单位圆内表示按本发明的后置滤波器的极点和零点的位置，

图6是按本发明的一种电话接收机的方块图。

在图1中的曲线11表示一个话音信号的谱频率，它表示该信号的频谱的幅度P随其频率f的变化。该信号可以是模拟的或数字的。在后者情况下它可以例如来自基于目前应用在移动的无线电话或特别是应用在GSM系统中的LPC分析方法类型的一个预测话音译码器的输出。

该频谱特征幅度斜率或峰值在频率f1，f2和f3由谷值分开，f1，f2和f3低于频谱的最高频率Fe/2。为改善这样一种信号的音频质量，提供一个后置滤波器装置以增加其斜率和加深其谷值，由此加大信号的反差。滤波后的结果由曲线13表示。后置滤波的效果在于提高了话音的清晰度。这是一个假设的取决于耳朵的灵敏度的指示器。一个后置滤波器可以用来处理话音信号，特别是改善清晰度以及部分补偿因编、解码和传输带来的损失和错误。然后置滤波器在话音解码和消除噪音方面有许多应用。

图2表示按本发明的一种后置滤波器装置20，在其输入端上接收具有图1中标志11的频谱类型的一个话音信号21，并在其输出端产生其频谱可以由曲线13表示的经滤波的信号22。它包括一个LPC型的短期预测分析电路23，用于确定该话音信号的LPC参量，以及一个提取电路25，与一个计算单元一起工作，用于从该预测分析电路23的输出提取极点的值，并将其施加到该计算单元26的输入端，用于综合处理滤波该话音信号21的一个数字零/极点滤波器以获得信号22。

按该例子，输入信号21在约两倍于原始话音信号的最高频率Fe上被取样，使得该预测分析电路23例如每160次取样确定该话音信号的LPC参量。这些用符号a_i表示的参量通过LPC分析滤波器A(Z)得到，其等式例如可以表示为：

A (z) = 1 + Σ_{i = 1}^{m} a_{i} z^{- i}

m为该滤波器的预测阶。在该滤波器的输出端得到A(Z)，除参数a_i外，信号的乘余误差将由该分析滤波器逆滤波器的综合滤波器进行滤波，以便在后置滤波前再生话音信号。

产生信号22的后置滤波器的极点通过提取电路25加到计算单元26，该提取电路通过提取多项式A(Z)的根P_i来得到它们。为计算零点，计算单元26首先按在0和约4KHz之间的上升频率的顺序执行根P_i的分类，该取样频率Fe在8KH附近。之后通过在多项式A(Z)的根Pi之间的内插计算得到表示为r_i的《零点》的值：

r_{i} = \frac{α_{1} p_{i} + α_{2} p_{i - 1}}{2}

其中α₁和α₂为正的加权因数，代表计算零点的极点的相对加权。相应零点的值的频率由此自己在极点频率间求出。确定了后置滤波器的极点和零点，计算单元26综合处理后置滤波器W(Z)，其等式写成：

W (z) = \frac{1 + b_{1} {(z / χ_{n})}^{- 1} + b_{2} {(z / χ_{n})}^{- 2} + \cdot \cdot \cdot + b_{m} {(z / χ_{n})}^{- m}}{1 + a_{1} {(z / χ_{d})}^{- 1} + a_{2} {(z / χ_{d})}^{- 2} + \cdot \cdot \cdot + a_{m} {(z / χ_{d})}^{- m}}

这里a_i为来自分析电路23的LPC参量，而b_i为基于前面计算的值r_i形成的该多项式的系数。X_d和X_n为加权因数，表示如图5中说明的从根到单位圆的距离，和X_n＜X_d＜1。

现在将借助图3详细说明按本发明的滤波器方法的例子。它包括其顺序可作某些改变的K0-K5的步骤。首先，K0为接收具有特征斜率由谷值分开的频率频谱的模拟或数字话音信号的步骤。第二步骤，K1，执行接收信号的短期预测分析，以确定为处理信号特征的LPC分析滤波器系数a_i。步骤K2包括从LPC滤波器提取根P_i。步骤K3执行在根P_i间的内插，以便从其导出值r_i。步骤K4为数字零/极点滤波器W(Z)的综合处理步骤，其极点为LPC滤波器的根P_i，而其零点为值r_i。最后步骤K5包括将综合滤波器加到话音信号，以便按这样一种方式在输出端产生其频谱为相对输入信号频谱进行修正的信号，即其斜率已被增加以及谷值已被强化。

按照本方法的改变的实施例，其目的为产生使用在其他步骤中的计算或分析结果的某些步骤能够在接收信号的步骤K0之前实现。让我们取在图4中所示通信电路的GSM系统的例子，按GSM标准，在编码话音信号的同时传输消息的期间执行LPC分析。一旦已经传输消息，用于产生其后将由传输通道传输的话音模式的LPC参量是可利用的，而后置滤波器方法在接收电路的终端执行。

例如在一种GSM应用中，在按所说方法的信号接收步骤K0之前，话音信号的预测分析步骤K1可以由此而有利地执行而与后置滤波器方法无关，而结果将由综合处理该话音的话音编码器和后置滤波器提取出。在一般情况下还可以最好再形成LPC分析，特别对于后置滤波器。在一个不提供LPC分析的通信系统中，预测分析步骤可以根据接收信号实现，或者也可根据接收早已解码的信号，或许由解码器本身实现。

图4为一普通数字基带通信系统的方块图。它包括通过发射通道32和接收电路33的传输电路31。按本发明的一个实施例，特别适用于GSM系统，其频率频谱由图1中的曲线11表示的原始话音信号S在传输电路31的输入端上接收，而其频谱由曲线13表示的经滤波的话音信号S’在接收电路33的输出端上产生。在发射机端系统包括一予处理块34，一话音编码块35，一通道编码块36以及，在接收端包括一通道解码块37，一话音解码块38和一后置处理块39。

予处理块34准备用于解码的话音信号。话音编码35包括模型化话音以及降低发射的数据量。为此目的，使用的一种方法包括例如在推荐的ETS300 961(97年12月，第二版，3.1段)中描述的一种短期预测，用于产生LPC滤波器参量为特征的一种话音模型。这些参量传输到解码块38以重建话音消息。用于提取该话音信号的LPC特性的分析滤波器A(Z)可写成例如：

A (z) = 1 + Σ_{i = 1}^{m} a_{i} z^{- i}

这里a_i为LPC参量，而m为该滤波器的预测阶。

通道编码块36准备用于发射的数据，而通道解码块37解码发射的数据，以便能使该话音解码器38按反向编码处理重建话音消息。这样它接收由该通道传输的话音模型并将其施加到表示为1/A(Z)的综合滤波器，1/A(Z)为分析滤波器的反向：

\frac{1}{A (z)} = \frac{1}{1 + Σ_{i = 1}^{m} a_{i} z^{- i}}

后置处理块39具有用其目的为改善在输出端上产生的信号的音频质量，更具体地，为改善其清晰度。普通的后置滤波器写成以下等式：

W (z) = \frac{1 + a_{1} {(z / χ_{n})}^{- 1} + a_{2} {(z / χ_{n})}^{- 2} + \cdot \cdot \cdot + a_{m} {(z / χ_{n})}^{- m}}{1 + a_{1} {(z / χ_{d})}^{- 1} + a_{2} {(z / χ_{d})}^{- 2} + \cdot \cdot \cdot + a_{m} {(z / χ_{d})}^{- m}}

这里a_i为LPC参量，而X_n，X_d为加权因数，表示为图5中所说明的从根到单位圆的距离，和X_n＜X_d＜1。可以看到极点和零点处于和斜率相同的频率上，由此主要导至限制它们相对谷值的强化。

在按本发明的后置滤波器中，为显著地强化探测现象，零点被计算放置在大约一半的极点上。这种确定极点和零点位置将通过增加最大值幅度同时降低最小值幅度来增加斜率的强化。零点值通过在由LPC分析提取的极点的值之间计算内插人为地得到：

r_{i} = \frac{α_{1} p_{i} + α_{2} p_{i - 1}}{2}

这里P_i为按上升频率顺序配置的LPC综合滤波器的极点，而α₁和α₂为正因数。这样后置滤波器被描写成

W (z) = \frac{1 + b_{1} {(z / χ_{n})}^{- 1} + b_{2} {(z / χ_{n})}^{- 2} + \cdot \cdot \cdot + b_{m} {(z / χ_{n})}^{- m}}{1 + a_{1} {(z / χ_{d})}^{- 1} + a_{2} {(z / χ_{d})}^{- 2} + \cdot \cdot \cdot + a_{m} {(z / χ_{d})}^{- m}}

这里b_i为基于在先计算的r_i值形成的多项式的系数，而X_d和X_n为表示图5中所说明的从根到单位圆的距离的加权因数，和X_n＜X_d＜1。

在图5的单位圆中表示零点和极点的相对位置。又表示后置滤波器W(Z)的极点值和零点的零值。考虑点相对X轴的角度表示其频率。离开该点相对圆中心的距离表示其幅度。同时还在图中用虚线表示的为普通后置滤波器零点和极点的值。可以看出，对于普通后置滤波器，极点和零点处于相同频率，它们也是斜率的频率。另一方面，在按本发明的后置滤波器中，零点处于2极点间的中间频率。

普通后置滤波器当它们改进清晰度时产生的信号其声音状况全部是更为综合性的。作为本发明的一个优点，该后置滤波器产生一个输出信号其综合声音表明低于普通后置滤波器产生的输出信号，而特别是该话音信号的清晰度是增强的。结果在通信电路的输出端上真实改善了该话音信号的音频质量。

在图6中表示的电话接收机包括由一个麦克风61，一个模/数转换器A/D，一个语音编码器62，一个通道编码器63，以及专用于连接到耦合到发射机天线66的双工器65的无线频率部分64的模件组成的发射电路。接收电路还包括天线66，双工器65和无线电模件64，一个通道解码器67，一个语音解码器68，一个数/模转换器D/A和一个耳机69。方块62、63、67和68可以一个DSP型(数字信号处理器)的处理器实现。

按本发明的最佳实施例，LPC分析部分是在靠近话音编码器62的DSP中实现的，而后置滤波器部分形成语音解码器68的部分。

正如通过例子描述并说明一个话音信号，用于改善该话音信号清晰度的一个装置和一种滤波方法，一种电话接收机和一个通信系统。显而易见，有可能给出实施例的多种变型而不脱离本发明的范围，特别是关于用于短期预测话音分析和综合的滤波器的结构。

Claims

1.一种用于滤波具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的话音信号的数字滤波器装置，该装置包括一个该话音信号的预测分析电路以及用于综合处理放大该斜率和加深该谷值的数字零点/极点后置滤波器的计算单元，该装置的特征在于包括一个提取电路，用于从该预测分析电路的输出端提取极点的值并将它们施加到该计算单元，以及内插装置，用于确定在所说极点值之间零点的值。

2.如权利要求1的装置，其特征在于所说预测分析电路包括一个由具有多个根的多项式表示的线性预测编码(LPC)分析滤波器，以及在于该提取电路能提取所说的根，以便由此导出该后置滤波器的极点的值。

3.如权利要求1的装置，由P_i指示的极点的值按上升频率的顺序分类，由r_i指示的零点的值按下列等式确定：

r_{i} = \frac{α_{1} p_{i} + α_{2} p_{i - 1}}{2}

这里α₁和α₂为正的加权因数。

4.一种用于接收具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的话音信号的电话接收机，包括一个话音信号的预测分析电路以及用于综合处理增加该斜率和加深该谷值的零-极点数字后置滤波器的计算单元，该接收机的特征在于包括一个提取电路，用于从该预测分析电路的输出端提取极点的值，并将它们施加到所说计算单元，以及内插装置，用于确定在所说极点值之间零点的值。

5.一种具有至少一个发射通道的基带话音信号通信系统并包括：

·一个预测话音编码器/解码器，用于基于由所述通道发射的原始编码信号重建一个数字话音信号，

·一个滤波器块，用于滤波所说数字话音信号，其特征在于该滤波器块包括计算装置，用于综合处理一数字零点/极点滤波器，一个提取电路，用于在预测话音编码器/解码器装置的输出端上提取极点的值，以及内插装置，用于确定在所说极点值之间零点的值。

6.如权利要求5的系统，其特征在于该预测话音编码/解码装置包括LPC分析装置，用于确定具有多个根的-LPC分析滤波器的系数，以及在于该提取电路包括用于提取所说根并由此导出极点的值的装置。

7.一种数字滤波器方法，用于滤波具有由谷值分开的频率频谱特征斜率的一个话音信号，以增加斜率和加深谷值，包括：

·一预测分析话音信号步骤，以确定LPC系数，

·一计算步骤，用于根据所说LPC系数综合处理一个零点/极点滤波器，以及

·一滤波器步骤，用于将所说已综合处理的滤波器施加到该话音信号，

其特征在于该计算步骤包括：

·一提取步骤，提取基于所说LPC系数形成的一LPC多项式的根，以便从它们导出极点的值，以及

·一内插步骤，用于在所说极点值之间确定所说的零点的值。