CN1143470C - 掩蔽故障的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了进行故障掩蔽，在通过被干扰的信道进行传输之前，参数值的二进制表示在发送方通过线性块编码进行预编码，而且，如此加入的冗余信息在接收方不被用来在该二进制参数表示内进行故障识别，而是在参数估测的过程中被用来提高被估测参数值的质量。

Description

掩蔽故障的方法和装置

技术领域

本发明涉及在传输或存储数字数据时、尤其是在使用信源编码(譬如按照CELP原理的语音编码)时的用于掩蔽故障的方法和装置。在本发明范围内，传输可理解为去往/来自存储介质的数据传输，也可理解为数据的存储。

背景技术

诸如语音信号、音频信号、图像信号和视频信号等信源信号或信源信息几乎总包含有统计冗余，也即冗余信息。通过信源编码可以大大减少该种冗余，由此可实现信源信号的有效传输或存储。在传输之前，这种冗余降低可以消除基于譬如信号变化曲线的统计知识之上的冗余信号内容。经过信源编码的信息其比特率也被称为编码速率或信源比特率。在传输之后，该部分又在信源解码时加入到信号中去，这样在客观和/或主观上都可证明没有质量损耗。

另一方面，通常在信号传输时，通过信道编码再把冗余有目的地加入进去，以大大消除信道干扰对传输产生的影响。利用附加的冗余比特，接收机或解码器可以实现故障识别并根据情况进行校正。信道编码信息的比特率也被称作总比特率。

为了利用尤其为无线接口的传输介质的有限传输容量来尽可能有效地传输尤其为语音数据、图像数据或其它有用数据的信息，这些需传输的信息在传输之前通过信源编码被压缩，并通过信道编码来防止信道故障。对此，已知有一些不同的方法。所以譬如在GSM(全球移动通信系统)系统中，借助了一种全速语音编解码器、半速语音编解码器或增强型全速语音编解码器来对语音进行编码。

在本申请范围内，用于编码和/或相应解码的、也可以包含有信源编码和/或信道编码的方法也被称为语音编解码器。

不能由信道解码器校正的剩余比特故障有时会给语音再现带来很大的损害。附加的故障掩蔽方法能够明显地改善主观感觉上的再现质量。

在GSM系统中，譬如当出现帧消失时，便重复上一个正确收到的语音帧，以替代当前的语音帧。在五个相继被干扰的帧之后，逐级地切换成静音。该方法通过一种二进制的帧可靠信息“坏帧指示(BFI)”来控制。

通过对由信道解码器传送给语音解码器的可靠信息进行合符逻辑地扩展，可采用软比特语音解码器来掩蔽故障。对此，已知有一些方法(Tim Fingscheidt，Peter Vary，“采用软比特语音解码的故障掩蔽”，ITG专业报告第139号“语音通信”，第7-10页，法兰克福a.M.，1996年)，其中采用了判定和估测理论方法，这在下文还要作简短地讲述。

对于大多数譬如通过CELP语音编解码器确定的语音参数，发送和接收参数值之间的信噪比(SNR)被证明是有力的品质判据。这样，通常需要较好地校正主观感觉的语音质量和参数SNR。

为此，参数解码器(譬如基于CELP的语音编码器)是有意义的，它使发送参数(但不只局限于语音参数)X同相应的被解码参数 之间的SNR的平均值最小，或使其差值的平方最小，也就是说，

$\hat{X}=\arg \min \underset{\tilde{X}}{E}\left\{{(X-\tilde{X})}^2\right\}......\left(1.1\right)$

为了传输数值连续的参数X，必须首先利用比特序列{x₁，..x_w}进行编码。这通常是通过量化来产生的。对此，参数X的整个数值范围被分解成2^w个区间(或矢量量化中的单元)S_i。每个这种单元均被分配了一个明确的发送比特序列x_i＝{x₁(i)，..x_w(i)}.

现在，采取具有二进制输入x和数值连续的输出z的信道作为传输信道。在此，在输出处观测到的值z取决于输入值x和一个暂时还没有详细说明的随机过程。对作用于相继的比特序列或参数的干扰来说，只是假定其在统计上不相关。该信道通过似然函数p_z|x{z₁，..z_w|x₁，..x_w}来完整地描述。

由此，(1.1)中的期望值通过两个随机过程来确定：通过参数产生过程X和观测的接收值z，也即

$E_{X,\{Z1,..,\mathrm{Zw}\}}\left\{{[X-\tilde{X}(z_1,..,z_w)]}^2\right\}$

$=\underset{Z1,..,\mathrm{Zw}}{\∫}\underset{X}{\∫}{[X-\tilde{X}(z_1,..,z_w)]}^2{p}_{x,z_1,..,z_w}(X,z_1,..,z_w)\mathrm{dXd}{z}_1..d{z}_w.----(1.2)$

由于被积函数总是为正，所以可通过如下方法使该期望值最小，即对于每个可能的接收序列{z₁，..，z_w}，使得关于

的内部积分最小。人们可获得均方(MS)估测的公式

${\tilde{X}}_{\mathrm{opt}}=\underset{X}{\∫}X\·p_{x|z_1,..,z_w}\left(X\right|z_1,..,z_w)\mathrm{dX}.--\left(1.3\right)$

如果考虑发送方的量化，则进一步得出

${\tilde{X}}_{\mathrm{opt}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{X\∈S_i}{\∫}X\·\frac{p_{z_1,..,z_{w|x}}{(z}_1,..,z_w\left|X\right)\·p_x\left(X\right)}{p_{z_1,..,z_w}(z_1,..,z_w)}\mathrm{dX}.---\left(1.4\right)$

因为对于所有的X∈S_i都是发送相同的比特序列x_i，所以分子内的条件概率是一个关于积分的恒量，并得出

${\tilde{X}}_{\mathrm{opt}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{p_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_i)}{p_{z_1,..,z_w}(z_1,..,z_w)}\underset{X\∈S_i}{\∫}X\·p_x\left(X\right)\mathrm{dX}$

$=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{p_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_i)}{p_{z_1,..,z_w}(z_1,..,z_w)}E\left(X\right|x_i)\·\mathrm{Pr}\left(x_i\right)$

$=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}E\left(X\right|x_i)\·\mathrm{Pr}\left(x_i\right|z_1,..,z_w).$

如果参数产生过程X没有记忆能力，则在相继的参数值或比特序列x之间另外组成统计的联系。

于是，通过考虑时间指数n得出近似的推导

${\tilde{X}}_{\mathrm{opt}}\left(n\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}E\left(X\right|x_i)\·\mathrm{Pr}\left(x_i\right|z_1\left(n\right),..,z_w\left(n\right),..,z_1\left(0\right),..,z_w\left(0\right)).---\left(1.6\right)$

下面将说明如何确定(1.5)和(1.6)中的后验概率：

为简化起见，在此假定：位于信源编码器和信源解码器之间的传输信道由信道编码器、调制器、物理信道、解调器、均衡器以及信道解码器组成，它可以被理解为被外加干扰、在位平面上无记忆力、且具有二进制输入x和连续输出z的信道，如同图3所示。在此，信源编码器简化地用参数编码器PC表示，而信源解码器则简化地用估测器S表示。该信道通过似然函数p_z|y(z_k|y_k)或通过L值L(z_k|x_k)来完整地描述。首先应该为(1.5)的空位参数源提供一个后验概率。对此，应用贝斯公式

$\mathrm{Pr}\left(x_i\right|z_1,..,z_w)=\frac{p_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_i)}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{p}_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_j)\mathrm{Pr}\left(x_j\right)}\·\mathrm{Pr}\left(x_i\right).----\left(1.7\right)$

在此，现在可以得知所有的量：似然函数 $p_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_i)$ 由信道特性给出，而Pr(x_i)为发送比特序列x_i的先验概率。对于所有的i，该概率预先借助表示的信号数据(譬如在语音编码时的话音试验中)被测出来。

由于设定了位平面上无记忆力的前提，所以该似然函数可以用积的形式来描述：

$p_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_i)=\underset{k=1}{\mathrm{\Π}}{p}_{z|x}\left(z_k\right|x_k\left(i\right)).---\left(1.8\right)$

如果以L值序列{L(z₁|x₁)，..，L(z_w|x_w)}的形式给信源编码器提供关于参数X的可靠信息，则(1.8)可以在对数范围内进行有效地计算。得出

$p_{z_1,..,z_w|x}(z_1,..,z_w|x_i)=C\·\exp \left(\underset{k\∈\left\{k\right|x_K\left(i\right)=+1\}}{\mathrm{\Σ}}L\left(z_k\right|x_k)\right).--\left(1.9\right)$

在此，C为一个恒量，它可通过归一化条件

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Pr}\left(x_i\right|z_1,..,z_w)=1---\left(1.10\right)$ 来测定。

如果参数源X不空位，也即在相继的输出值之间存在统计的相关性，那么，该信源可以用马尔可夫链来模拟。此处只考察马尔可夫链的第一阶的情况。在此情况下，利用z_n＝{z₁(n)，..，z_w(n)}，下式成立：

$\mathrm{Pr}\left(x_i\left(n\right)\right|z_n,z_{n-1},..,z_0)=\frac{p(z_n,.,z_0|x_i\left(n\right))}{p(z_n,..,z_0)}$

$=p\left(z_n\right|x_i\left(n\right))\·\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j}p(x_i\left(n\right),x_j(n-1),z_{n-1},..,z_0)}{p(z_n,..,z_0)}$

出于条理清楚的原因，在推导中去掉了分布密度函数的指数。(1.11)中的分数为一个关于x_i(n)的恒量，并可以借助归一化条件(1.10)进行确定。同样，马尔可夫链的跃迁概率(Pr(x_i(n)|x_j(n-1))必须如同先验概率一样在一个较长的参数源输出序列上测量。

在较高阶的马尔可夫链上扩展该递归公式也是可能的，但这样会增加计算的复杂性，而在通常情况下，存储位置的需要量与估测准确性的附加效益是没有关系的。

发明内容

为此，本发明以该问题为基础，提供一种用于掩蔽故障的方法和装置，对于经过故障传输信道传输而来的信号数据，本发明能以较好的质量重构来自于该信号数据的信源信号。

根据本发明的在传输参数值时掩蔽故障的方法，其中，参数值被转换成二进制表示；在通过被干扰的信道进行传输之前，二进制表示的所述参数值至少有一部分在发送方通过线性块编码的预编码而被加入第一冗余信息；以及如此加入的第一冗余信息在接收方不被用来在该参数的二进制表示内进行故障识别，而是被用来估测该参数值。

优选地，所述参数值至少是部分地从发送方的信源编码中得到的；二进制表示的所述被预编码过的参数值被加入第二冗余信息；在通过被干扰的信道进行传输之后，在接收方采用所述第二冗余信息进行故障识别及/或故障校正。

有利的是，所述第二冗余信息是在信道编码的意义上被加入的。在接收方在后验信息意义上采用所述第一冗余信息来估测该参数。按软比特信源解码方法、尤其是按软比特语音解码方法来进行所述的估测。

本发明的用于传送参数值的发送装置具有：一个处理单元，该处理单元作如此设置，使得：参数值被转换成二进制表示，在通过被干扰的信道进行传输之前，二进制表示的所述参数值至少有一部分在发送方通过线性块编码的预编码而被加入第一冗余信息，其中，如此加入的第一冗余信息在接收方不被用来在该参数的二进制表示内进行故障识别，而是被用来估测该参数值。

根据本发明的用于接收参数值的接收装置，所述参数值在通过被干扰的信道进行传输之前在发送方被转换成二进制表示，而且，在通过被干扰的信道进行传输之前，所述参数值在发送方通过线性块编码的预编码而被加入了第一冗余信息；该接收装置具有一个处理单元，该处理单元作如此设置，使得：如此加入的第一冗余信息在接收方不被用来在该参数的二进制表示内进行故障识别，而是被用来估测该参数值。

据此，本发明的思想在于，经信源编码后仍包含在发送信号中、或明确地以信道编码形式而被加入的冗余在接收方不用于故障识别或故障校正，而是在质量指标的意义上被用来进行优化估测。

由此可以实现质量较好的故障掩蔽。

附图说明

下面借助附图来进一步阐述实施例。

图1为通信工程传输链的主要元素图；

图2为基于CELP原理的AMR编码器的图示；

图3为语音参数的传输图，

图4为处理单元的原理电路图。

具体实施方式

图1示出了产生信源信号qs的信源Q，所述信号qs通过一种诸如GSM全速语音编码器的信源编码器QE被压缩成由符号组成的符号序列。在参数化的信源编码方法中，由信源Q产生的信源信号qs(如语音)被再划分成多个块(如时帧)，并被处理。信源编码器QE生成量化参数(如语音参数或语音系数)，此种量化参数在下文也被称作符号序列的符号，而且它们还以某种方式反映了当前块内的信源特性(譬如以滤波系数、振幅因子、激励矢量的形式反映语音频谱)。量化后的该符号具有一个确定的符号值。

所述符号序列的符号或相应的符号值通过二进制映射(分配规则)被映射到一系列均具有多个比特位的二进制码字上，而所述的映射经常被描述为信源编码器QE的一部分。倘若该二进制码字譬如依次作为二进制码字序列被进一步处理，那么就会产生一系列经过信源编码的、可插入帧结构的比特位。于是，在实现了这种信源编码之后，信源比特或数据比特db便以由信源编码种类决定的信源比特率(编码速率)构造在帧内。

图2以原理图的形式示出了一种信源编码器的特殊方案，该信源编码器尤其为语音编码器，也即基于CELP(码激励线性预测)原理的AMR编码器。

在CELP原理中涉及到一种合成分析方法。在此，从当前语音段获取的滤波结构通过依次从码本中查得的激励矢量(码矢量)来激励。利用合适的故障判据，滤波器的输出信号与当前的语音段进行比较，并选出使故障最小的激励矢量。滤波结构的表示以及所选激励矢量的位置号被传送到接收机内。

在CELP方法的一种特殊方案中，采用了一种代数码本，此码本也经常被称为稀疏代数码(sparse-algebraic-code)。它是一种多脉冲码本，并装有二进制(+/-1)或三进制脉冲(0，+/-1)。激励矢量内均只有少部分位置占有脉冲。在选出位置之后，用一个振幅因子给该总矢量加权。这种码本具有多个优点。一方面，它不占用存储位置，原因是脉冲的允许位置是通过一种代数计算规则来测定的，另一方面，它可以根据其构造非常有效地搜寻最佳的脉冲位置。

下面借助图2首先讲述一下传统CELP编码器的实施方案。通过搜寻两个码本来仿真需要近似的目标信号。在此，有两个不同的适配码本，一个是适配码本(a2)，其任务是用来仿真谐波语音部分，另一个是随机码本(a4)，它被用来合成没有通过预测而获得的语音部分。适配码本(a2)根据语音信号进行变化，而随机码本(a4)是不随时间变化的。正如激励码矢量的最佳选择所需要的一样，如此地来寻找最佳激励码矢量，以便使码本内不发生共用(亦即同时)搜索，而是从费用角度出发首先搜寻适配码本(a2)。如果找到了依照故障判据的最好激励码矢量，便从目标矢量(目标信号)中减去该最好激励码矢量中用于重构目标信号的份额，并获得一个需通过随机码本(a4)的矢量进行继续重构的目标信号部分。在各个码本内的搜索是根据同一原理来进行的。在两种情形下，为所有激励码矢量计算出如下商值，所述商由被滤波激励码矢量跟目标矢量的相关系数的平方与被滤波目标矢量的能量构成。使该商值最大的那个激励码矢量被看作为使故障判据(a5)最小的最好激励码矢量。接于前方的故障加权器(a6)根据人的听觉特征对故障进行加权。在激励码本内找到的激励码矢量的位置被传送给解码器。

通过计算所述的商，隐含地为每个激励码矢量测定正确的(码本-)振幅因子(放大率1，放大率2)。从两个码本中确定出最佳选择物之后，可以通过对所述放大率进行共同优化，来减小按顺序实施的码本搜索所带来的质量降低作用。在此，预定对原始的目标矢量进行更新，并计算出适合于目前所选激励码矢量的最佳放大率，与在码本搜索时测定的放大率相比，所述放大率通常只有细微的不同。

根据CELP原理，为了找到最佳激励码矢量，每个选择矢量都被单个地进行滤波(a3)，并与目标信号进行比较。

最后，滤波参数、振幅因子以及激励码矢量被转换成二进制信号，并被插到一种固定结构内在帧中进行传输。所述滤波参数涉及LPC(线性预测编码)系数、LTP(长项预测)指数或LTP(长项预测)振幅因子。

根据本发明，在发送方利用线性块编码对语音参数比特进行预编码，可以明显地提高已知用于故障掩蔽的上述方法的功能特性。与常规的信道编码方法不同的是，加入的冗余不是用来在接收方进行故障识别或故障校正，而是用来较准确地确定估测所需的后验概率。

该原理可以从简单的单个奇偶校验(SPC)码上得到说明。该系统化的线性编码给语音参数比特加入了一个附加奇偶比特x_p(i)。该比特通过等式通过如下等式来确立：

$x_p\left(i\right)=\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\⊕x_j\left(i\right)---\left(1.13\right)$

该奇偶比特x_p(i)是与其它参数比特一起传输的。因此，在接收方把收到的奇偶比特z_p的附加软信息(Soft-Information)提供给参数估测器。等式1.8由此可以扩展为

$p_{z_1,..,z_W,z_p|x,x_p}(z_1,..,z_w,z_p|x_i,x_p\left(i\right))=p_{z|x}\left(z_p\right|x_p\left(i\right))\·\underset{k=1}{\overset{w}{\mathrm{\Π}}}{p}_{z|x}\left(z_k{|x}_k\left(i\right)\right)--\left(1.14\right)$

显然，由附加因子p_z|x(z_p|x_p(i))作用的效果可以作如下理解：其奇偶比特x_p(i)与实际接收值z_p一致的那个比特样本x_i的后验概率被放大，而其它的则缩小。这可在一个简单的实施例中看出来。此处在考察时，参数的量化利用一个四级的均匀量化器来进行。量化级和所属的比特码为：

          0.75：             +1，-1

          0.25：             +1，+1

          -0.25：            -1，+1

          -0.75：            -1，-1

在该实施例中，项0.25在发送方选出，也就是说，比特序列{+1，+1}被发送出去。由于信道干扰而接收到一系列受干扰的、可以换算成L值的软值(Softwerten)，譬如{9.1，-0.3}。

由此，若假定所有项的出现频率相同，则表格项的概率为：

          0.75：             0.574

          0.25：             0.426

         -0.25：             ^～0

         -0.75：             ^～0

于是得到估测值MS＝0.537。

如果此处从发明的意义上讲，再传输一个附加的奇偶比特，且其接收L值假定为5.3，则可以得到后验概率

         0.75：              0.007

         0.25：              0.993

         -0.25：             ^～0

         -0.75：             ^～0

并由此得出估测值MS’＝0.2535。

从该实施例可以看出，根据附加传输的奇偶比特，在接收方确定的估测值明显更加接近于实际发送的值0.25。可以直接按复杂的线性编码对该方法进行扩展。

根据本发明的一种实施方案，在编码速率为6.1千比特/秒时将本方法用于第一级的LPC指数。对此，采用一种缩短的(13，9)汉明码。经过仿真表明，单单只通过参数估测就可以比硬解码实现更大的收益。通过利用校验比特或(13，9)汉明码进行线性预编码，可以使传输的可靠性进一步得到提高。

利用附加传输的4个奇偶比特可以使语音编码后的纯数据速率从6.1增加到6.3千比特/秒，这样，由于总数据速率保持恒定，所以通过信道编码降低了故障保护。但非正式的听觉测试表明，在较坏的信道状态(C/I≤4dB)下，通过采取线性预编码的方法，因信道故障保护降低而带来的抗故障能力降低可得到过补偿，也就是说，根据预编码，可发现大大地提高了语音的清晰度。

图4示出了一种处理单元PE，它尤其可以包含在诸如基站BS或移动台MS的通信装置内。它包含有一个控制装置STE和一个处理装置VE，所述控制装置基本上由一种程控微处理器组成，而所述控制装置则由处理器、尤其是数字信号处理器组成，两者都能访问存储元件SPE，以进行读和写。

微处理器控制和操作所有基本元件及处理单元PE所包含的功能单元。由数字信号处理器、数字信号处理器的一部分或一种特殊处理器来负责实现语音编码或语音解码。选择语音编解码器也可通过微控制器或数字信号处理器自己来实现。

输入/输出接口I/O用来把有用数据或控制数据输出到操作单元MMI，或从所述操作单元输入所述数据，该操作单元MMI可以包含有键盘及/或显示器。处理单元的各个元件可以由数字总线系统BUS相互连接起来。

借助本文的说明，技术人员也可以采用与本申请所述CELP编码方法不同的方法来应用本发明。

Claims (8)

1.在传输参数值时掩蔽故障的方法，其中，

-参数值被转换成二进制表示，

-在通过被干扰的信道进行传输之前，二进制表示的所述参数值至少有一部分在发送方通过线性块编码的预编码而被加入第一冗余信息，以及

-如此加入的第一冗余信息在接收方不被用来在该参数的二进制表示内进行故障识别，而是被用来估测该参数值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

-所述参数值至少是部分地从发送方的信源编码中得到的，

-二进制表示的所述被预编码过的参数值被加入第二冗余信息，

-在通过被干扰的信道进行传输之后，在接收方采用所述第二冗余信息进行故障识别及/或故障校正。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

所述第二冗余信息是在信道编码的意义上被加入的。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，

在接收方在后验信息意义上采用所述第一冗余信息来估测该参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

按软比特信源解码方法、尤其是按软比特语音解码方法来进行所述的估测。

6.根据权利要求1-3之一所述的方法，其中，

按软比特信源解码方法、尤其是按软比特语音解码方法来进行所述的估测。

7.用于传送参数值的发送装置，具有

一个处理单元，该处理单元作如此设置，使得

参数值被转换成二进制表示，

在通过被干扰的信道进行传输之前，二进制表示的所述参数值至少有一部分在发送方通过线性块编码的预编码而被加入第一冗余信息，其中，如此加入的第一冗余信息在接收方不被用来在该参数的二进制表示内进行故障识别，而是被用来估测该参数值。

8.用于接收参数值的接收装置，所述参数值在通过被干扰的信道进行传输之前在发送方被转换成二进制表示，而且，在通过被干扰的信道进行传输之前，所述参数值在发送方通过线性块编码的预编码而被加入了第一冗余信息，

该接收装置具有一个处理单元，该处理单元作如此设置，使得，如此加入的第一冗余信息在接收方不被用来在该参数的二进制表示内进行故障识别，而是被用来估测该参数值。

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