CN1200404C - 具有脉冲序列约束的码激励线性预测语音编码器译码器 - Google Patents
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Abstract
一种用于对输入信号进行语音编码的设备及方法，包括一个线性预测滤波器和一个处理器，线性预测滤波器用于对接收输入信号起响应而产生一个具有第一信号脉冲和第二信号脉冲的已滤波信号，处理器中有一个包括多个轨迹位置的查找表。使第一信号脉冲与一个第一轨迹位置相关联，并相对于该第一信号脉冲，使第二信号脉冲与一个第二轨迹位置相关联，由此得到多个激励参数。
Description
技术领域
本发明涉及语音压缩，具体涉及码激励线性预测(CELP)语音编码。
背景技术
在1984年出版的“A History of Engineering and Science in theBell System”第99、101-102页描述了声码器的发明的情况(1928年)，在该文献的第114页介绍了线性预测编码技术(LPC)的情况(1967年)。语音编码器/解码器(声码器，自动语音合成器)可压缩语言信号，以便减小通信信道中所需的传输带宽。通过减小每个呼叫所需的传输带宽，在同一通信信道中有可能增加呼叫的数量。早先的语音编码技术中，诸如是线性预测编码(LPC)技术中，应用一个滤波器来去除信号冗余，由此压缩语音信号。LPC滤波器能重现出一种频谱包络，以试图模仿人们的语音。此外，LPC滤波器受到鼻音和元音方面接收到的准周期性输入的激励，而对于非语音的声音接收为类噪声输入。
有一类声码器，周知为码激励线性预测(CELP)声码器。CELP语音编码主要是一种语音数据压缩技术，它在4-8kbps码率上能达到的语音质量可以与其他语音编码技术在32kbps码率上的语音质量相比拟。CELP声码器比之早先的LPC技术有两方面的改善。第一，CELP声码器应用一个音调预测器来抽取音调信息，尝试捕获更多的语音细节。第二，CELP声码器用一个从实际语音波形中产生的残余信号里导出的类噪声信号来激励LPC滤波器。
CELP声码器中包含三大部分：1)短时间预测滤波器；2)长时间预测滤波器，也称为音调预测器或自适应码书；以及3)固定码书。压缩的实现是通过对每一部分指配一定数目的比特，它们少于表示原来的语音信号所用的比特数目。第一部分应用线性预测来去除语音信号中的短时间冗余。产生自短时间预测器的误差或即残余信号变为长时间预测器的目标信号。
话音语言有一种准周期性的性质，长时间预测器从残余信号中抽取出一个音调周期，并去除掉从前一个周期中可预测的信息。在长时间和短时间预测滤波器之后，所得到的残余信号几乎全是类噪声信号。应用一种分析、综合方法，由一个固定码书搜索来寻找一种最佳匹配，从其矢量库中用一个输入项取代该类噪声残余信号。代表最佳匹配的码字便取代该类噪声残余信号而进行传输。在代数CELP(ACELP)声码器中，固定码书由少量的非零脉冲组成，并用脉冲的位置和符号(例如+1或-1)予以代表。
一种典型的方案中，CELP声码器将输入语音信号分块或划分成帧，对每一帧作一次短时间预测器的LPC系数更新。然后，将LPC残余信号划分成子帧，用于长时间预测器和固定码书搜索。例如，对于短时间预测器，输入语音可以分块成160样本的帧。然后，形成的帧可以分割成53样本、53样本和54样本的三个子帧。于是，每个子帧由长时间预测器和固定码书搜索进行处理。
参看图1，它示出了语音信号100单个子帧的例子。语音信号100由不同音调的语音和非语音信号组成。该语音信号100由具有一种LPC滤波器的一个CELP声码器接收。CELP声码器第一步是去除语音信号中的短时间冗余。去掉短时间冗余后得到的信号是图2中的残余语音信号200。
LPC滤波器不能够去除全部冗余信息，在滤波的语音信号200中剩余的准周期性峰尖和凹谷称为音调脉冲。然后，在短时间预测滤波器上加入语音信号200，得到图3中经短时间滤波的信号300。长时间预测滤波器从图3的残余语音信号300中去除准周期性的音调脉冲，形成图4中几乎全是类噪声的信号400，它变成固定码书搜索的目标信号。图4是一个160样本帧的固定码书目标信号的曲线，它划分成三个子帧354、356、358。然后，该码字值在通信网络中传输。
图5中，示出了对子帧中脉冲位置进行映射的查找表470。子帧内的各个脉冲被约束位于查找表内16个可能位置402之一个上。由于每条轨迹404中有16个可能的位置402，所以只需要4个比特可标识每一个脉冲位置。每个脉冲映射发生于各个轨迹404上。所以，两个轨迹406、408能够对子帧来的两个信号脉冲的脉冲位置作出映射。
当前的例子中，图4上的子帧354在激励中只有53个样本，使得位置0-52才是有效位置。由于图5中轨迹406、408是划分了的，所以每条轨迹中存在着超过原来激励之长度的位置。轨迹1中的位置56和60以及轨迹2中的位置57和61是无效和未用的。图4中头两个脉冲310、312的位置对应于样本13和样本17。借助于应用图5的表470，可以确定，样本13位于第一条轨迹406中的第三位置410上。第二个脉冲在样本17中，位于第二条轨迹408的第四位置412上。所以，每个脉冲可以分别地用4个比特予以代表和传输。由于码书中只有两条轨迹，对图4中子帧354内的其它脉冲314、316、318、320和322可置之不顾。
发明内容
脉冲位置由轨迹内的绝对脉冲位置约束住。其缺点在于，CELP声码器容易将脉冲放置入轨迹中的相邻位置上。将脉冲放置入轨迹中的相邻位置上时，将对讲话声音的开始进行编码而不是对语调进行更平衡的编码。另外，当用于声码器的比特率降低且很少的脉冲可应用时，脉冲放入轨迹中的低效率使语音质量受到有害的影响。需要有一种方法，它能减小脉冲被放置入相邻轨迹位置中的发生率。
通过相对于第一轨迹中一个信号脉冲的位置，将一个信号脉冲放置入一条第二轨迹中，可以消除绝对轨迹位置布局的低效率。在编码一个信号脉冲期间，对N+1轨迹中的N+1信号脉冲实施相对定位，可使解码信号有增高的信号质量。增高的信号质量之实现，是借助于更精确地将脉冲放置入轨迹中，以及减小在轨迹内信号脉冲位置相邻放置的发生率。
附图说明
参考几个附图并从本发明的详细说明中，将显然地明白本发明的上述目的和有益特性，各附图中：
图1示例出语音信号的一个帧；
图2示例出经短时间周期性滤波的一个语音帧；
图3示例出经自适应码书滤波的一个语音帧；
图4示例出一种已知的方法，将160个样本构成的语音帧划分成三个子帧；
图5是一个已知CELP声码器码书查找表的图解，信号脉冲约束在16个可能的脉冲位置之一上；
图6是一个CELP声码器码书的图解，码书中具有按照本发明一个实施例的相对约束的脉冲位置；
图7是一个通信系统的图解，它具有按照本发明一个实施例进行CELP语音编解码的一个发射装置和接收装置；
图8是一个具有CELP声码器的发射装置的图解，该CELP声码器按照本发明的一个实施例对语音信号进行编码；
图9是具有按照本发明一个实施例之CELP声码器的接收装置图解；
图10是按照本发明一个实施例，对语音信号进行语音编码之方法的一个流程图。
具体实施方式
图6中，示出了一个两轨迹的码书表，它具有相对约束的脉冲位置。表500中包含两个脉冲位置轨迹502、504(一般地称它们为轨迹)，每一轨迹上可标识出16个可能的信号脉冲位置506。通过轨迹1的502和轨迹2的504中第13位置上的508，固定码书输入项零在那里是可能的有效脉冲位置。码书中的脉冲表位置上第14位置的510和第15位置的512，在两个轨迹中都是未应用的。另外，第一轨迹中可能的第一脉冲位置约束为处在可由4整除的脉冲位置上(也即0，4，8，......，52上)。第二轨迹中的第二脉冲位置是以第一轨迹中第一信号脉冲的指数位置506为准的。
不是将信号脉冲编码入相邻轨迹位置中，而是产生出第二信号脉冲的一个相对定位。借助于使轨迹中编码的相邻信号脉冲很少，各个信号脉冲能够较好地重现出突发性能量，这就改善了由声码器解码之信号的语音质量。本实施例中，将单个的信号脉冲编码入两个轨迹502和504之每一个中。通过使第二轨迹中的第二信号脉冲相对于第一轨迹中的第一信号脉冲进行定位，可以做到在解码语调上质量有提高。另一个实施例中，码书表中包含两个以上的轨迹，各轨迹中的附加信号脉冲以早先信号脉冲的早先轨迹位置为准。
本实施中，第二轨迹中第二信号脉冲的相对位置是对于第一轨迹中的第一信号脉冲而言的。另一个实施例中，第二轨迹中第二信号脉冲的相对位置是对于第一信号脉冲样本位置而言的。又在另一个实施例中，第二轨迹中的信号脉冲位置可以用非顺序的阶次进行分组(也就是，1，-1，7，-7，2，-2，6，-6，3，-3，5，-5，4，-4)。
转到图7上，它示出了具有发射装置602和接收装置604的通信系统600。发射装置602与接收装置604由通信通路606连接在一起。通信通路606可以选择一个有线网络(诸如局域网、广域网、因特网、ATM网或公共电话网)或者一个无线网(诸如蜂窝网、微波网或卫星网)。对通信通路606的主要要求是能够在发射装置602与接收装置604之间传输数字数据。
发射装置602和接收装置604上有各别的信号输入和输出单元608和610。单元608和610都示明为电话装置，它们与发射装置602和接收装置604之间可来回地传输模拟信号。信号输入/输出单元608由一个两线通信通路612与发射装置602相连接。类似地，另一个信号输入/输出单元610经另一个两线通信通路614与接收装置604相连接。另一个实施例中，将信号输入单元纳入在发射和接收用的通信装置内(也即它们是制作在发射和接收装置内的扬声器和传声器)，或者经由无线通信通路(也即为无绳电话)相互通信。
发射装置602中含有一个连接至两线通信通路612上的模拟信号端口616、一个CELP声码器618和一个控制器620。控制器620与模拟信号端口616、声码器618和网络接口622相连接。另外，网络接口622与声码器618、控制器620和通信通路606相连接。
类似地，接收装置604中含有连接至另一个控制器626上的另一个网络接口624、通信通路606和另一个声码器628。该另一个控制器626与另一个声码器628、另一个网络接口624和另一个模拟信号端口630相连接。另外，该另一个模拟信号端口630连接至另一个两线通信通路614上。
在模拟端口616上，接收自信号输入装置608来的语音信号。控制器620为发射装置602提供控制信号和定时信号，并使模拟端口616将接收的信号传输给声码器618进行信号压缩。声码器618中有一个用于压缩接收信号的固定码书，码书的数据结构示于图6中。图6的数据结构500使已滤波信号来的第一信号脉冲与第一轨迹内的一个脉冲位置相关联。此外，使一个第二信号脉冲与一个第二脉冲位置相关联，它被确定出与第一轨迹内第一信号脉冲之第一脉冲位置的相对关系。
通过指配第二脉冲位置相对于第一脉冲位置的关系，避免对两个信号脉冲指配相邻的位置关系。对第一信号脉冲进行编码，并在第一轨迹502内指配以一个脉冲位置，又使第二轨迹504内第二信号脉冲的脉冲位置相对于第一轨迹502进行编码。第二脉冲位置的相对编码得到了一个具有更大可能性的压缩信号，即第一脉冲位置不与第二脉冲位置相邻。然后，图7中声码器618给出的压缩信号传送至网络接口622上。网络接口622使压缩信号经由通信通路606传输至接收装置604上。
位于接收装置604上的另一个网络接口624接收此压缩信号。接收装置中的控制器626使接收的压缩信号传输至接收装置中的声码器628上。声码器628利用图6中的查找表500对压缩信号进行解码。图7中，声码器628应用图6中的查找表500从接收的压缩信号中再生出一个模拟信号。该查找表500恢复出固定码书具有的基值，然后用长时间和短时间预测器进行滤波。得到的模拟信号通过图7中的接收装置模拟信号端口630传送至接收机端的信号输入/输出单元610上。
转到图8上，它示出了由发射装置602实施的模拟语音信号的信号处理。预处理器710上有一个接收模拟信号的输入端，其输出馈送至LP滤波器714和信号混合器712上。信号混合器712使预处理器710和综合滤波器716来的信号进行混合。信号混合器712的输出馈送至感知加权处理器718上。综合滤波器716与LP分析滤波器714、信号混合器712、另一个信号混合器720、自适应码书732和音调分析器722相连接。音调分析器722与感知加权处理器718、固定码书搜索734、自适应码书732、综合滤波器716、另一个信号混合器720和参数编码器724相连接。参数编码器724与发射机728、固定码书搜索734、固定码书730、LP分析滤波器714和音调分析器722相连接。
在预处理器710上，接收来自图7中模拟信号输入/输出单元608的模拟信号。图8中，预处理器710处理该模拟信号，并调节增益和其他信号特性。然后，预处理器710给出的信号馈送到LP分析滤波器714和信号混合器712两者上。由LP分析滤波器714产生的系数信息(LPc’info)传送至综合滤波器716、感知加权处理器718和参数编码器724上。综合滤波器716接收到来自LP分析滤波器714的LP系数信息和来自另一个信号混合器720的信号。综合滤波器716模仿语音中大致的短时间频谱形状，产生出一个信号，在信号混合器712中与预处理器710的输出相混合。从信号混合器712上得到的信号由感知加权处理器718进行滤波。感知加权处理器718还接收LP分析滤波器714来的LP系数信息。感知加权处理器718是一个后置滤波器，在那里，通过对含有高的语音能量的各个频率放大其信号频谱，以及对包含较少语音能量的那些频率加以衰减，能够有效地“掩蔽”编码失真。
感知加权处理器718的输出传送至固定码书搜索734和音调分析器722上。固定码书搜索734产生的码字值传送至参数编码器724和固定码书730上。所示的固定码书搜索734是与固定码书730分离开的，但另一种情况下可以包括在固定码书730内，并不必需按分离方式来实现。另外，固定码书搜索734上具有对于图6中查找表500之数据结构的访问口，而且其第二脉冲位置相对于第一脉冲位置的判定能够更精确地编码脉冲信号信息，并减小码书中对相邻脉冲编码的发生率。
图8中的音调分析器722产生出音调数据，传送至参数编码器724和自适应码书732上。自适应码书732接收来自音调分析器722的音调数据以及来自信号混合器720的一个反馈信号，以模仿语音信号中的长时间(或周期性)成分。自适应码书732的输出与固定码书730的输出在信号混合器720中混合。
固定码书730接收由固定码书搜索734产生的码字值，再生出一个信号。所产生的信号与自适应码书732来的信号在信号混合器720中混合。然后，形成的混合信号由综合滤波器716应用来模仿语音信号中的短时间频谱形状，再反馈给自适应码书732。
参数编码器724接收固定码书搜索734、音调分析器722和LP分析滤波器714来的参数。参数编码器724应用该接收的信号产生出压缩的信号。然后，由发射机728将压缩的信号通过网络进行传输。
上面系统的另一个实施例中，声码器内的编码器和解码器部分共处在同一装置诸如是一个数字应答机中。在这样一种实施例中，通信通路是一条数据总线，它能使压缩的信号在一个存储器中进行存储和从中调用。
图9中，示出了按照本发明之一个实施例而具有一个CELP声码器的接收装置604的图解。接收装置604中有一个连接在接收机802上的网络接口616。一个固定码书804连接在接收机802上，并连接至一个增益系数“c”812上。信号混合器806与综合滤波器808以及增益系数“p”811和增益系数“c”812相连接。自适应码书810连接至增益系数“p”811上，并接收信号混合器806的输出。综合滤波器808连接至信号混合器806的输出，并连接到后置感知滤波器814上。后置感知滤波器814与综合滤波器808相连接，并连接到另一个模拟端口630上。
接收装置604在网络接口616上接收压缩的信号。接收机802对网络接口616上接收到的压缩信号内的数据进行拆包。数据中包含固定码书指数、固定码书增益、自适应码书指数、自适应码书增益和一个LP系数用的指数。固定码书804中包含一个图6中数据结构那样的查找表500。图9中，固定码书804产生的信号在信号混合器806中与自适应码书810经增益系数812来的信号相混合。然后，信号混合器806给出的混合信号由综合滤波器808接收，并反馈给自适应码书810。综合滤波器808应用该混合信号再生出语音信号。再生的语音信号通过后置感知滤波器814而语音信号得到调整。然后，由模拟端口630将语音信号传送至接收机上，那里有一个类似的码书。
转到图10，它示出了一个语音编码方法的流程图，其中应用一种查找表或码书，在N+1轨迹中的脉冲位置是以先前的脉冲位置为准的。在步骤902中，由图7中的接收装置604接收一个输入信号(例如，一个模拟语音信号)。在图10的步骤903中，输入信号划分成各个信号帧，从而可以处理分离的信号部分。图10的步骤904中，由图8中的LP分析滤波器714处理每个信号帧，得到一个滤波的输入信号，称为残余信号。
图10中的步骤906上，由一个长时间滤波器对滤波的残余信号进一步进行滤波，并由图8中的自适应码书732对具有信号脉冲的已滤波输入信号中的长时间信号冗余作出转移成予以去除。图10中的步骤908上，由固定码书指数标识出第一轨迹内第一信号脉冲的位置。图8中的固定码书730内包含一个图6中的查找表500，并包含第二轨迹中第二脉冲位置对于第一轨迹中第一脉冲位置的相对映射。步骤909中，确定出第二脉冲位置相对于第一脉冲位置的偏移，并使得第二脉冲有更精确的定位。查找表500由图8中的固定码书730应用来产生一个二进制数据图样，它可代表输入信号中剩余的脉冲信号。然后，在图10的步骤910中，将二进制数据图样编码成含有脉冲位置指数的一个信号。于是，在步骤912中，经过通信通路传输出该编码的信号。
当前的技术状态能将一般用途的数字信号处理器与其它电子单元组合起来，以作出由软件组构的CELP声码器。所以，一种计算机可读的信号承载媒体中可以包含软件码字，以实现一种声码器，它具有附加的约束用以限制码书中的脉冲位置。
虽然，参照一种具体实施例已详细地示明和描述了本发明，但本技术领域内的熟练人员明白，可以对此作出形式上和细节上的各种改变，它们偏离不开本发明的精神和范围，因此，下面的权利要求书的用意在于，所有此种改变都处在权利要求范围内。
Claims (13)
1.一种对输入信号进行语音编码的方法，包括步骤：
对输入信号进行滤波，得到具有一个第一信号脉冲和一个第二信号脉冲的滤波信号；
对第一信号脉冲进行编码，使第一信号脉冲与一个编码数据结构第一轨迹内的一个第一脉冲位置相关联；以及
相对于第一脉冲位置，在该编码数据结构第二轨迹内对该第二信号脉冲指配一个不相邻的第二脉冲位置。
2.权利要求1的方法，其中，滤波步骤中包含步骤：用一个线性预测滤波器处理该信号。
3.权利要求1的方法，其中将信号划分成多个信号帧的步骤是在滤波步骤之前提供的。
4.权利要求3的方法，其中，划分信号帧的步骤以接收一个模拟信号的步骤开始。
5.权利要求3的方法，其中，划分信号帧的步骤以接收一个数字信号的步骤开始。
6.权利要求1的方法，其中，指配脉冲位置的步骤包含步骤：标识出第二信号脉冲对于第一信号脉冲的位置偏移。
7.权利要求6的方法，其中，标识位置偏移的步骤包含步骤：计算出第一信号脉冲位置对一个第二信号脉冲位置的偏移。
8.一种用于对输入信号进行语音编码的设备，包括：
一个线性预测滤波器，它对接收输入信号起响应，产生出至少有一个第一信号脉冲和一个第二信号脉冲的已滤波信号；
一个处理器，有一个包括多个轨迹位置的查找表，其中，在第一部分多个轨迹位置中对第一信号脉冲指配一个第一轨迹位置，并在第二部分多个脉冲位置中对第二信号脉冲指配一个以第一信号脉冲的第一轨迹位置为准的第二轨迹位置，由此得到多个激励参数；以及
一个发射机，它响应于从处理器中接收该多个激励参数，在一个传输信号中传输出这多个激励参数。
9.权利要求8的设备，还包含一个输入端口，它具有一个将输入信号划分成各个输入信号帧的存储缓冲器，以响应于输入端口上的输入端口接收。
10.权利要求8的设备，其中，由处理器确定出在滤波的信号中第二信号脉冲对第一信号脉冲的一个位置偏移。
11.权利要求8的设备，其中，由处理器确定出第二信号脉冲对第一轨迹位置的一个偏移。
12.权利要求8的设备，其中，输入信号是一个模拟输入信号。
13.权利要求8的设备，其中，输入信号是一个数字信号。
Applications Claiming Priority (2)
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