CN1192502C - 无需译码的数字信号压缩方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种压缩参量建模和编码的数字信号的方法(100)包括步骤：把数字信号存储在一个存储器中的多个帧中(102)，多个帧的每个帧中具有多个参数，其中数字信号是以较高速率编码的，并且通过从多个帧的每个帧中选择(106)一个多个参数的子集并且放弃(108)多个帧的每个帧内的多个参数的子集而把数字信号转换到较低速率。

Description

无需译码的数字信号压缩方法和装置

技术领域

本发明涉及数字信号压缩，更具体地讲，涉及一种能够压缩参量建模和编码的数字信号的译码器或声码器。

背景技术

移动通信产品在大小和性能上一直在不断地改进。因此，存储数字数据的存储器最佳化是满足这种产品的用户的当前和未来需求的关键。话音、视频和多媒体信号都要占据大量的存储空间。这种信号的压缩方案可能变得十分复杂，而产生的未压缩信号在清晰度上低于可接受标准，或未压缩数据的长度仍然太长而不能提供存储空间节省的显著优越性。因此，需要有一种存储数字信号的压缩方案，能够减小未压缩模式下的存储数字信号的大小，同时保持清晰度和显著节省存储空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够压缩参量建模和编码的数字信号的译码器或声码器。

为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，提供了一种压缩参量建模和编码的数字信号的方法，包括步骤：把数字信号以多个帧的形式存储在存储器中，所述多个帧的每个帧具有多个参数，其中数字信号是以较高速率编码的；确定存储器中的数字信号是否是预定的消息类型；在确定存储器中的数字信号是预定的消息类型后，通过从多个帧的每个帧选择一个多个参数的子集并且放弃多个帧的每个帧内的多个参数的子集而自动地把数字信号转换到较低速率。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据预定事件压缩以多个帧的形式存储在一个具有声码器的用户单元内的存储器中的数字编码话音消息的方法，包括步骤：确定存储的数字编码话音消息是否是预定的消息类型；在确定存储的数字编码话音消息是预定的消息类型后，自动地把多个帧中的以第一速率编码存储的数字编码话音消息转换成以第二速率编码存储的数字编码话音消息，其中第二速率低于第一速率。其中转换包括步骤：在多个帧的每个帧内选择一个多个参数的子集；和放弃存在于多个帧内的多个参数的子集。

根据本发明的再一方面，提供了一种具有一个用于存储参量建模和编码的数字信号的存储器并且能够压缩数字信号的电子设备，包括：处理器，该处理器用于：确定存储器中的数字信号是否是预定的消息类型；把数字信号以多个帧的形式存储在存储器中，所述多个帧的每个帧具有多个参数，其中数字信号是以高速率编码的；在确定数字信号是预定的消息类型后，通过从多个帧的每个帧选择一个多个参数的子集并且放弃多个帧的每个帧内的多个参数的子集而自动地把数字信号转换到较低速率。

附图说明

图1是根据本发明的一个较高速率消息的代表；

图2是根据本发明的较高速率消息中的一个帧的代表；

图3是根据本发明的较低速率消息中的一个有声锚入帧的代表；

图4是根据本发明的较低速率消息中的一个有声中间帧的代表；

图5是根据本发明的任何速率的无声锚入帧的代表；

图6是根据本发明的无声中间帧的代表；

图7是根据本发明的一种像选择性呼叫接收机这样的电子设备的方框图；

图8是说明根据本发明的压缩数字信号的方法的流程图；和

图9是说明根据本发明的压缩数字信号的方法的另一个流程图。

具体实施方式

任何能够建模和参量编码的数字信号都是能够根据本发明的利益压缩或转换并随后再建的示例信号。虽然本发明的重点在于能够建模和参量编码的数字语音信号，但是应当知道像数字存储的视频信号这样的其它信号同样也能够从本发明获益。

对于数字语音信号，在再建语音的处理中最好使用一种多速率声码器。声码器最好具有一个最初执行将数据的二进制流译码成语音模型参数集，然后将参数转换成合成语音的语音合成器。多速率声码器最好是一种根据把语音分割成多个固定长度的片段而进行语音分析、编码和合成的多频带激励(MBE)声码器。语音的合成最好是使用每一帧的特定模型参数集，一帧接一帧地进行。模型参数的有效使用需要了解人类语音性质的基础假设。

有关语音的主要假设是，它通常是具有高度周期性的，并且它的频谱特征是逐渐变化的。这是声码器方案中选择一个固定长度帧的基础。当然，有些时候语音特征变化的确是很快的。在这些情况下，具有较短更新间隔的高速编码器的工作性能一般优于很低速度的编码器。因此，将伪周期性语音称作“有声的”，而将周期性语音称作“无声的”。语音一般是由有声和无声频谱分量的混合而构成的，并且典型的声码器分离地处理语音信号的有声和无声部分，以便有效地给信号建模和编码，并且随后在语音的再建中组合信号。

可以在一个数据帧内的语音模型参数集可以包括一个帧发声标志，一个基频值，频带发声向量，行频谱频率或频谱参数，以及增益。帧发生标志指示在一个给定帧中是否存在有声分量，和帧数据本身是有声还是无声格式。有声语音中的基频代表音调频率或音调周期重复的频率。由于在无声语音中没有真正的基频，因此可以赋予一个任意值，并且用于无声语音片段的频谱形状的译码。频带发声向量把语音信号分割成多个具有预定频率范围的频带。行频谱频率(LSF)或频谱参数提供了用于给要用于产生合成语音信号的频谱编码的值。从LSF导出的谐波频谱形状应当用增益来定标，以代表正确的帧能量。

因此，上述的典型声码器可以用于从三种数据率合成语音，例如，每秒600，1000，或1400比特的数据率。尽管这些速率是可观的，并且允许将大量语音存储在存储器中，但是本发明主要的目的是要提供一种优化像选择性呼叫接收机或消息发送单元这样的电子设备中存储器使用的方法。

图1示出了一个典型的较高速率消息比特流结构12。(由于帧可以是有声的或无声的，因此，没有示出帧1...N的比特长度。)图2示出了一个较高速率有声帧12的比特分配。如图3中所示，一个有声较低速率锚入帧14在BV字段中具有2比特，没有谐波残余(HR)，并且可以包含较少的频谱参数或LSF。图4示出了一个有声较低速率中间帧16的比特分配，这种帧除了没有频谱参数或LSF之外，具有与有声较低速率锚入帧14基本上相同的格式。图5示出了一个任何速率的无声锚入帧18的比特字段，图6示出了一个无声中间帧20。在了解分段的前提下也可以了解锚入帧和中间帧的概念。分段是选择代表帧(锚入帧)以及它们各自的频谱参数，同时利用频谱失真量度放弃中间帧的频谱参数的处理过程。因此，一个已经被压缩到较低速率的存储话音信号的有声片段可以包含一个较低速率锚入帧14，其后跟随着预定数量的较低速率中间帧16并且由另一个较低速率锚入帧14分界。同样，一个已经压缩到较低速率的存储话音信号的无声片段可以包含一个无声锚入帧18，其后跟随着预定数量的无声中间帧20并且由另一个无声锚入帧18分界。

进一步详细查看帧中的比特分配，有声或无声帧的增益字段中的13比特对于任何速率都是有效的。因此，把全部13个比特从较高速率比特流复制到较低速率比特流。(消息发送单元中的一个参数译码器处理如何根据速率把增益分割成左-或右-半能量。)同样，对于话音帧，把音调字段中的13比特从较高速率比特流复制到较低速率比特流。对于频带发声(BV)，最好把一个有声帧的频谱分成四个频带部分，每个频带部分带有一个有声/无声标志。在本例中，数字信号是经过参量建模的，因此第一频带总是有声的，所以总是BV1＝1。第二，第三和第四频带可以是有声的或无声的。因此，较高速率帧可以显式地携带三个比特的频带2，3和4的发声状态：BV2，BV3，BV4。另一方面，一个较低速率帧可以包含较少的信息，最好是仅包含比特BV2和BV3。这意味着速率转换算法只是不从较高速率比特流复制BV4。参数译码器在译码较低速率消息时将知道把BV4设定到BV3。对于谐波残余(HR)，谐波残余不在较低速率消息中使用，并且不从较高速率比特流复制到较低速率比特流，从而导致数据的减少。当播送较低速率消息时，从参数译码器把零发送到合成器。对于诸如行频谱频率(LSF)之类的频谱参数，由于较低速率消息包含比较高速率消息更少的显式LSF集，因而利用较低速率消息可以取得较低的比特率，较低速率消息包括显式LSF是因为每个帧都是一个锚入帧。从较高速率比特流选择适当的LSF在较低速率很好地代表话音消息内容对于消息的话音质量是十分重要的。最好是根据失真最小例程从较高速率比特流选择代表LSF。一旦确定了代表LSF，相应地更新了FSI块。

根据本发明的像选择性呼叫接收机或收发信机这样的具有存储参量建模和编码的数字信号的存储器并且能够压缩数字信号的这样的一个电子设备最好包括一个像多速率声码器这样的处理器，该声码器经过编程以把数字信号存储在存储器中的多个帧中，其中每个帧具有多个参数，并且其中数字信号是以较高速率编码的。然后，处理器最好通过从多个帧中每一个中选择一个参数子集，并且放弃多个帧中每个帧中的这个多参数子集，而把数字信号转换成较低速率。可以进一步给处理器编程，以通过从多个帧中的每一个帧选择一个额外参数子集，并且放弃多个帧的每个帧中的这个额外参数子集，而有选择地压缩数字信号。

参考图7，图7示出了一个可以实现根据本发明的选择性呼叫接收机或收发信机或便携用户单元(PSU)的通信设备50这样的电子设备的电路方框图。便携用户单元包括一个向基站(未示出)和从基站发送和截听无线电信号的收发信机天线52。将链接到收发信机天线52的无线电信号耦合到包括一个惯用发射机51和接收机53的收发信机54。从基站接收的无线电信号最好使用惯用的二和四-级FSK调制，但是也可以使用其它调制方案。熟悉本领域的一般技术人员都知道，收发信机天线52不限于发射和接收无线电信号的单一天线。也可以使用接收和发射无线电信号的分离天线。

收发信机54接收的无线电信号在输出端产生解调信息。通过一个最好耦合到处理器58的输入端的信号信息总线55传送解调信息，处理器58以本领域已知的方式处理信息。处理器58同样地处理包括确认响应信息的响应消息，并通过信号信息总线55传送到收发信机54。最好使用以9600(ninety-six-hundred)bps比特率操作的四级FSK调制收发信机54发送的响应消息。应当知道，也可以选择使用其它调制比特率和其它调制类型。

使用一个耦合到处理器58的惯用电源开关56控制对收发信机54的电能供应，从而提供了一种电池节省功能。时钟59耦合到处理器58以提供用于对根据本发明要求的不同事件定时的定时信号。处理器58最好也耦合到一个可电擦除可编程只读存储器(EEPROM)63，该存储器包括至少一个分配给便携用户单元18和用于实现选择性呼叫特征的选择性呼叫地址64。处理器58也耦合到一个用于把至少一个消息存储在多个消息存储单元68中的随机存取存储器(RAM)66。当然，也可以存储在双向消息发送系统中有用的其它信息，例如，区标识号和计算呼叫次数(向和来自PSU)的一般目的计数。

双向消息发送单元形式的通信设备50也可以包括一个耦合到一个编码器并且进一步耦合到处理器58的发射机。应当知道，本发明中的处理器58可以具有译码器和编码器两种功能。

当处理器58接收到一个地址时，最好是在一个ROM 60中的呼叫处理元件61把接收的地址与至少一个选择性呼叫地址64比较，当检测到一个匹配的地址时，最好产生一个呼叫提示信号，以提示用户接收到了一个消息。将呼叫提示信号传送到耦合到处理器58的惯用音响或触感提示设备72，以产生音响或触感呼叫提示信号。此外，呼叫处理元件61处理最好以数字化的惯用方式接收到的消息，然后把消息存储在RAM 66中的消息存储单元68中。使用者可以通过耦合到处理器58的，用于提供诸如读取、锁定和删除消息之类的功能的惯用使用者控制器70来存取消息。作为替代，可以通过一个串行端口(未示出)读出消息。为了检索或读出消息，最好也将一个输出设备62，例如，一个惯用液晶显示器(LCD)，耦合到处理器58。应当知道，对于ROM 60或RAM 66也可以使用其它类型的存储器，例如，EEPROM，并且可以利用其它类型的输出设备，例如，扬声器，来代替或附加到LCD，特别是在接收数字化话音时。除了其它元件或程序之外，ROM 60最好也包括进行寄存处理(67)和压缩处理(65)的元件。

根据本发明的方法最好是在消息发送单元内将较高速率消息转换成较低速率消息。转换最好在消息译码之间进行。作为替代，一些转换部分可以在消息译码之前进行，而剩余的转换部分可以在译码后进行。预期用于本发明的声码系统将把话音数据作为以后用于重建个人话音的参数的压缩比特流存储。较高速率消息(例如，1400bps或速率3消息)包含比较低速率消息(例如，1000bps或速率2消息，或600bps或速率1消息)中更多的参数，因而造成了速率和质量的提高。(请注意，与每个速率相关的比特数是近似的，并且代表平均消息。)因此，通过在仅仅轻微降低产生的语音质量的情况下有效地减少存储的参数数量来下变换消息的速率，可以获得存储器节省。

例如，假设16比特字，平均10秒速率3消息占据875存储器字：

10秒*1400比特/秒*1字/16比特＝875字

通过在速率1转换该10秒消息，存储器使用成为：

10秒*600比特/秒*1字/16比特＝375字

这导致了大约55％的平均节省率。当然，如前面提到的，存在着与降低速率有关的轻微话音质量损失。但是，如后面要说明的，可以审慎地应用速率降低。此外，速率降低可以是从速率3到速率2，或从速率2到速率1。

根据本发明的方法最好是在声码器进行重建之前把较高速率消息转换成较低速率消息。这显著地减小了最终再生话音消息所需的处理量，并且也提供了比利用完全重建消息然后再转换到较低速率的方法的更高质量的消息。更具体地讲，可以无需译码从接收的参数压缩比特流提取、放弃或至少是减少参数值。应当知道，在译码后也可以进一步放弃或减少参数值。

参考图8，本发明的另一方面中，压缩以较高速率参量建模和编码的数字信号的方法100最好包括步骤：在步骤102，把数字信号以多个帧存储在存储器中，多个帧中的每个帧具有多个参数；和通过在步骤106从多个帧的每个帧选择一个多个参数的子集，并且在步骤108放弃多个帧的每个帧内的多个参数的子集，而把数字信号转换到较低速率。多个参数可以从频谱、增益、音调、频谱参数和频带发声构成的组中选择，最好是不重构信号而取得数字信号到较低速率的转换。转换可以进一步包括，通过，如前面所述的，选择多个帧的代表帧和对应频谱参数而进行分段的步骤。转换也可以包括把增益、音调、频带发声和频谱参数的至少一部分从较高速率消息复制到较低速率消息直到消息结束的步骤。通过在步骤112从多个帧的每个帧中选择一个附加参数子集，和在步骤114放弃多个帧的每个帧中的附加参数子集而在决策方框110进一步压缩数字信号。所有这些步骤都可以在一个诸如选择性呼叫单元，电话应答设备，或具有声码器的听写设备之类的电子设备中进行。

在应用根据本发明的方法时，存在着几种可以压缩数字话音消息的情况。因而，如在步骤104中所示，数字信号的压缩可以基于一种预定的事件确定。例如，基于使用者的请求。在寻呼机之类的电子设备的菜单屏幕上可以容易地实现“压缩消息”命令。其它例子可以包括，自动压缩最老的一个消息或多个消息，或在存储器充满或接近满容量预定百分比时自动压缩消息。可以自动压缩预定天数之前的消息，或预定天数中一直没有播放/重放的消息。此外，如果存储器已经达到预定容量，那么可以压缩存储器中任何声频信息业务消息。如果存储器接近充满，那么可以实时压缩呼入消息。压缩算法也可以把存储器压缩到它的当前容量的预定百分比。为了平衡清晰度或质量与空间节省比，用户甚至可以设定一个消息或一系列消息的压缩标准。本发明最终允许自由选择保持或是放弃参数，以取得恰当的压缩目标。

以下在图9的方法200中概括了用于把话音消息从较高速率改变到较低速率的算法。第一步是要在步骤202通过开始组成较低速率消息的标题(HD)初始化单元存储器中的较低速率消息。HD的头两个比特包含速率指示符(R)。因此，从1400bps变化到600bps，R被写为01。包含在较高速率标题中的许多其它数据也要在较低速率标题中使用：编码当前消息中帧数，有声帧数，平均基频，和有声帧的奇数行频谱频率(LSF)的平均值的比特。在步骤204，根据上述分段，选择诸如LSF之类的代表频谱参数。在步骤206，建立较低速率比特流的帧状态指示符(FSI)。帧状态指示符(FSI)说明哪些帧是有声的或是无声的。由于所有较高速率帧都是显式(即，没有LSF插入)，较高速率消息的FSI块包含每帧一个比特。但是，由于较低速率消息包含显式和插入帧，因而FSI块需要每帧两比特。转换处理确定哪些帧将是显式的，或是插入的，因而设置两个FSI比特。在步骤208，将增益参数从较高速率消息比特流复制到较低速率消息比特流。接下来，在决策方框210，如果帧是有声的，那么把音调参数从较高速率消息比特流复制到较低速率消息比特流。在步骤214和216，取出较高速率消息频带发声比特，放弃最后一个频带发声比特。然后把剩下的频带发生比特复制到较低速率消息比特流。在步骤218，忽略较高速率谐波残余，因此不复制到较低速率消息比特流。在步骤220，把代表频谱参数从较高速率消息比特流复制到较低速率消息比特流。如步骤222所示，对每一帧重复上述过程，直到到达消息结束。在决策方框210，如果帧是无声的，那么在步骤224仅把频谱参数从较高速率消息比特流复制到较低速率消息比特流，直到到达如步骤222所示的消息结束。一旦根据本发明把话音消息从较高速率压缩到较低速率，那么多速率声码器可以从较低速率参数重构话音信号，因而取得了希望的存储器节省。

上述说明只是为了举例说明本发明，而不是为了以任何方式限制本发明，本发明范围仅受附属权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种压缩参量建模和编码的数字信号的方法，包括步骤：

把数字信号以多个帧的形式存储在存储器中，所述多个帧的每个帧具有多个参数，其中数字信号是以较高速率编码的；

确定存储器中的数字信号是否是预定的消息类型；

在确定存储器中的数字信号是预定的消息类型后，通过从所述多个帧的每个帧选择一个多个参数的子集并且放弃所述多个帧的每个帧内的多个参数的子集而自动地把数字信号转换到较低速率。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括压缩具有从频谱、增益、音调、频谱参数和频带发声构成的组中选择的参数的数字话音信号的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括不用重构信号而把数字信号转换到较低速率的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过从所述多个帧的每个帧选择一个附加参数子集并且放弃所述多个帧的每个帧内的附加参数子集而压缩数字信号的步骤。

5.一种根据预定事件压缩以多个帧的形式存储在一个具有声码器的用户单元内的存储器中的数字编码话音消息的方法，包括步骤：

确定存储的数字编码话音消息是否是预定的消息类型；

在确定存储的数字编码话音消息是预定的消息类型后，自动地把所述多个帧中的以第一速率编码存储的数字编码话音消息转换成以第二速率编码存储的数字编码话音消息，其中第二速率低于第一速率，其中转换包括步骤：

在所述多个帧的每个帧内选择一个多个参数的子集；和

放弃存在于所述多个帧内的多个参数的子集。

6.根据权利要求5所述的方法，其中转换步骤进一步包括通过选择所述多个帧的代表频谱参数进行分段的步骤。

7.根据权利要求5所述的方法，其中转换步骤进一步包括从第一速率消息把增益、音调、频带发声和频谱参数的至少一部分复制到第二速率消息直到消息结束的步骤。

8.根据权利要求5所述的方法，其中预定事件包括用户单元使用者始发的请求。

9.根据权利要求5所述的方法，其中预定事件包括确定存储在用户单元中的最老的一个消息或多个消息，因而该方法进一步包括当用户单元中的存储器达到预定的存储容量时至少自动地压缩最老消息的步骤。

10.一种具有一个用于存储参量建模和编码的数字信号的存储器并且能够压缩数字信号的电子设备，包括：

处理器，该处理器用于：

确定存储器中的数字信号是否是预定的消息类型；

把数字信号以多个帧的形式存储在存储器中，所述多个帧的每个帧具有多个参数，其中数字信号是以高速率编码的；

在确定数字信号是预定的消息类型后，通过从所述多个帧的每个帧选择一个多个参数的子集并且放弃所述多个帧的每个帧内的多个参数的子集而自动地把数字信号转换到较低速率。

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