CN1216368C - 用于扩展语音信号的频率范围的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于更高感觉质量的电话语音的宽带扩展。一种用于扩展语音信号的频率范围的方法，其使用具有一个反滤波器和一个合成滤波器的宽带扩展方法，其中所述两个滤波器从一个LPC估计器接收LPC系数。宽带LPC系数被从宽带LSF中获得。宽带LSF被通过添加高频段LSF以及低频段LSF而获得，所述高频段LSF是通过应用一个矩阵到窄带LSF而创建的，所述低频段LSF是通过将窄带LSF除以2而创建的。用于创建高频段LSF的矩阵被从预定矩阵列表中选择。该选择是基于从窄带语音信号中提取的宽带或者窄带反射系数。

Description

用于扩展语音信号的频率范围的方法和系统
技术领域
本发明涉及将具有相关频率范围的窄带语音信号的线状谱频率(LSF)扩展为包括高频段频率范围和窄带信号的频率范围的宽带语音信号的线状谱频率的一种方法，并且本发明还涉及用于执行该方法的一种系统。
背景技术
由2000年9月在美国威斯康星州出版的IEEE语音编码工作组的Peter Jax和Peter Vary的“wideband extension of telephonespeech using a hidden Markov model(使用隐藏马尔可夫模型的电话语音的宽带扩展)”中可以得知一种用于扩展线状谱频率的方法和系统。这里，窄带输入信号被分类为有限数量的语音声音，其中关于宽带频谱包络的信息被从预先训练的电码簿中取得。对于电码簿搜索算法，基于隐藏马尔可夫模型的统计方法被使用，该模型考虑带宽有限语音的不同特征，并且最小化均方误差标准。该算法只需要一个单独的宽带电码簿并且固有地保证了在窄带频率范围中系统的透明性。增强的语音展示了比输入语音大很多的带宽。所述算法通过将电码簿线性预测系数(LPC)应用于第一反滤波器来创建整个宽带信号，所述第一反滤波器作用于输入信号，并且然后提供已滤波的以及随后频谱折叠(fold)的信号给第二合成滤波器。该合成滤波器还接收电码簿LPC系数并且在输出端上提供宽带信号。窄带信号被系统透明地处理，因为这两个滤波器的转移函数是互逆的。
这种宽带扩展的方法具有的缺点是由第一滤波器提供的已滤波信号不够平坦，以致于无法在频谱折叠之后为第二滤波器提供最佳信号来创建高频段语音信号。
发明内容
本发明的一个目的是提供将窄带语音信号扩展为宽带语音信号的一种方法。
根据本发明的第一个方面，提供用于扩展包括在第一频率范围内的窄带语音信号的线状谱频率(LSF)的一种方法，以生成包括在高频段频率范围和所述第一频率范围两者内的相应宽带语音信号的线状谱频率，所述方法的特征在于，它包括以下步骤：
(a)通过将矩阵映射应用到窄带语音信号的线状谱频率，导出用于宽带语音信号的高频段频率范围的线状谱频率，通过在第一频率范围中训练映射到宽带语音信号的线状谱频率来获得所述矩阵映射，并且从基于反射系数的预定矩阵列表中选择所述矩阵映射；
(b)在窄带语音信号的频率范围中，将第一频率范围的线状谱频率映射到宽带语音信号的线状谱频率；
(c)组合用于高频段频率范围的线状谱频率与窄带语音信号的线状谱频率。
以这种方式，直接映射窄带语音信号的线状谱频率(LSF)而无需处理成宽带语音信号的等价的线状谱频率(LSF)，同时通过应用一个矩阵到窄带语音信号的LSF来创建宽带信号的高频段频率范围。
可以从第一滤波器获得一个最佳平坦信号，因为高频段LSF的映射不影响低频段LSF。在频谱折叠之后，折叠信号的频谱保持平坦，提供最佳输入信号用于合成滤波器。
获得高频段LSF的一种方法是在窄带语音信号的频谱范围中将通过训练获得的一个矩阵应用到宽带语音信号的线状谱频率。同样，通过独立的处理能够使用多个矩阵来进一步优化高频段信号的合成。
通过将线性预测系数(LPC)分析滤波器的脉冲响应分解为偶函数和奇函数来获得线状谱频率(LSF)。在这个扩展技术中，根据输入窄带信号来估计LSF。LSF位于以8kHz抽样的窄带语音信号的4kHz带宽的0-π之间。假设相应的宽带信号被使用是窄带LPC模型的阶(order)两倍的一个LPC模型进行模型化，则窄带LSF应表示在低频段范围0-π/2中的宽带LSF。这样，宽带语音信号的低频段LSF作为被2除的窄带LSF给出。
在宽带语音的模拟中，其中合成使用从如上所述的窄带语音中获得的低频段LSF，并且高频段LSF从相应的宽带语音中获得，获得了非常好的输出质量。
可以使用一个矩阵从低频段LSF中获得高频段LSF。通过训练获得该矩阵，并且该矩阵只需要被建立一次。可能获得几个矩阵，每个矩阵特定于被处理的信号的类型。一旦获得这样的一个矩阵，宽带LPC系数就被如下获得：
(a)首先，估计窄带语音信号的线性预测和反射系数；然后
(b)根据这些线性预测来计算LSF；
(c)这些LSF被除以2并且被直接提供给一个数组添加器(arrayappender)以及高频段LSF估计器；然后
(d)高频段LSF估计器将从一组矩阵中选择的一个矩阵应用到被除的LSF。
矩阵选择基于正在被处理的信号的类型。
将所选择的矩阵应用于被除的LSF的结果是一组高频段LSF。然后，这些高频段LSF被提供给数组添加器。数组添加器将高频段LSF添加到低频段LSF，以形成宽带LSF。所得到的宽带LSF数组允许在诸如Jax所公开的系统中的宽带语音信号的合成中使用的宽带LPC的计算。LSF和LPC系数构成用于扩展语音信号的频率范围的各种方法和系统的基础，改进所述语音系统的感觉质量(perceived quality)。因此，本发明提供的窄带LSF和LPC系数到宽带LSF和LPC系数的扩展也可以用于扩展语音信号的频率范围的其它系统中。
语音信号的频率范围的扩展被用于其中信道资源被保持并且语音被利用窄带宽发送的系统的接收终端中。这种系统的例子包括移动电话、视频会议终端以及互联网电话终端。
附图说明
现在将根据附图来描述本发明，其中：
图1表示根据本发明的语音解码器；
图2表示用于确定从宽带线性预测系数(LPC)中获得的反射系数的分类的系统；
图3表示对应于反射系数组(cluster)(k1，k2)的幅度谱包络形状；和
图4表示用于语音信号的频率范围的扩展的完整系统。
具体实施方式
图1表示用于频率扩展的系统的部分，其中宽带LSF被确定。系统的这个部分通过输入分析装置3的输入端19接收窄带语音信号。根据该窄带语音信号，利用输入分析装置3确定线性预测和反射系数。输入分析装置3将这些线性预测系数经由连接21提供给线状谱频率估计器5。线状谱频率估计器5将线状谱频率(LSF)提供给乘法器7，在乘法器7上通过乘以0.5而将LSF除以2。乘法器7在其输出端上提供被除的LSF。这些被除的LSF被提供给数组添加器11和高频段LSF估计器9。高频段LSF估计器9通过应用一个矩阵到从乘法器7接收的被除的LSF来估计高频段LSF。为了确定使用哪个矩阵，矩阵选择器15经由输入端29接收关于所接收的窄带语音信号的信息并且从矩阵列表17中选择一个矩阵。矩阵选择器15接收的关于所接收的窄带语音信号的信息是反射系数k1、k2。输入分析装置在它确定LPC系数的同时获得这些反射系数k1和k2。因此，反射系数k1和k2基于窄带语音信号。高频段LSF估计器9将所估计的高频段LSF提供给数组添加器11，其中高频段LSF被添加到低频段LSF。当窄带(即低频段)LSF和高频段LSF被添加时，所得的LSF是宽带LSF。这些宽带LSF被数组添加器11提供给线性预测确定器13，其中宽带LPC系数被使用在语音编码领域中的标准方法而确定。然后，这些宽带LPC系数在输出端37上被提供，以便以普通方式被使用来通过与图4中描述的反滤波器、合成滤波器和频谱折叠的合成而创建一个宽带语音信号。
由输入分析装置3提供的所有反射系数中的这两个反射系数k1、k2被用于通过确定反射系数k1和k2与哪组反射系数相关而对语音信号分类。根据一个搜索(例如Bayesian(贝叶斯)搜索)，由矩阵选择器15从前述的预定矩阵的一个矩阵列表17中选择矩阵M。这些预定的矩阵是通过在窄带语音信号的频率范围中训练到宽带语音信号的线状谱频率而获得的。
矩阵选择器15将所选择的矩阵或者指示选择了哪个矩阵的信息提供给图1中的高频段LSF估计器9。当然，也可能反射系数k1和k2或者关于选择了哪个矩阵的信息被从一个语音编码器中获得并且从语音编码器中经由连接语音编码器到语音解码器的信道而发送到语音解码器。在这种情况下，信息能够在不计算的情况下被直接提供给高频段LSF估计器。精确的实现还取决于是否：
(a)频率扩展系统是解码器的一部分并且已经访问由语音解码器接收的已编码语音数据；或
(b)频率扩展系统是处理窄带语音信号的独立系统。
如果它是一个独立系统，则所有需要的参数(即LPC、LSF、k1、k2)必须由系统本身确定。如果系统是语音解码器的一部分，则这些参数可以直接从解码器中获得或者被包括在所接收的已编码语音信号中。
图2表示用于根据宽带LPC系数来确定反射系数组k1和k2的系统。由图1中所示的输入分析装置3获得的窄带LPC系数被提供给线状谱频率估计器51。所得的LSF通过将LSF乘以0.5(在乘法器53中执行这样的相乘)而被除以2。所得的LSF因此是宽带LSF。根据这些被除的LSF，由LPC估计器55计算宽带线性预测系数。由反射系数估计器57使用LPC系数来计算宽带反射系数。由反射系数估计器57提供的所有反射系数中的前两个反射系数k1、k2被用于对语音信号分类。根据一个搜索(例如贝叶斯搜索)，由矩阵选择器59从预定矩阵的矩阵列表61中选择一个矩阵M。这些预定矩阵是通过在窄带语音信号的频率范围中训练到宽带语音信号的线状谱频率而获得的。
矩阵选择器59将所选择的矩阵或者指示选择了哪个矩阵的信息提供给图1中的高频段LSF估计器9。当然，也有可能宽带反射系数k1和k2或者关于选择了哪个矩阵的信息被从语音编码器中获得并且从语音编码器中经由连接语音编码器到语音解码器的信道而发送到语音解码器。在这种情况下，信息能够在不计算的情况下被直接提供给高频段LSF估计器。精确的实现还取决于是否：
(a)频率扩展系统是解码器的一部分并且已经访问由语音解码器接收的已编码语音数据；或
(b)频率扩展系统是处理窄带语音信号的独立系统。
如果它是一个独立系统，则所有需要的参数(即LPC、LsF、k1、k2)必须被系统本身确定。如果系统是语音解码器的一部分，则这些参数可以直接从解码器中获得或者被包括在所接收的已编码语音信号中。
图3表示对应于反射系数组k1和k2的幅度谱包络形状。具有有限组的幅度谱包络形状，其中每个形状不同于其它的，以便高频段语音信号的模拟。每个形状对应于一个特定的矩阵(M1，M2，M3，M4)，后者进而又对应于一个特定的反射系数组k1和k2，并且根据反射系数k1和k2来选择该矩阵。
图4表示用于扩展语音信号的频率范围的完整系统。
图4的系统在系统的输入端上接收窄带语音信号，并且将该信号提供给上抽样器71和输入分析装置6。输入分析装置6对应于图1中的输入分析装置3和LSF确定器5的组合。从输入分析装置6到宽带LPC估计器13的部分对应于图1所示的子系统。由图4中的高频段LSF估计器9使用的矩阵的确定以与图1或图2中所示的相同方式来实现。图4包括图1的实施例。图1和图4中对应的元件具有相同的参考编号。
上抽样器71将一个上抽样的信号提供给第一滤波器81。然后，第一滤波器81对该上抽样的信号滤波，其中滤波器使用由线性预测确定器13提供的宽带LPC参数。宽带LPC参数被以与图1中所述的相同方式获得。
第一反滤波器将已滤波信号提供给频谱折叠装置85，其中已滤波信号的频率范围通过频谱折叠而被扩展。由于已滤波和频谱折叠的信号被合成滤波器87使用来利用宽带LPC系数创建宽带输出信号，所以重要的是在反滤波器的输出端上的已滤波信号是频谱平坦的，以保证在频谱折叠之后，已滤波信号的高频段部分在被合成滤波器87滤波之前保持是频谱平坦的。通过在乘以0.5之后将低频段LSF直接提供给反滤波器81，一个最佳信号能够被提供给合成滤波器87，导致宽带信号中的一个最佳高频段信号。合成滤波器87使用与第一滤波器相同的LPC系数对已滤波和频谱折叠的信号滤波，并且在系统的输出端上提供一个具有扩展频率范围的输出信号。

Claims (9)

1.用于扩展包括在第一频率范围内的窄带语音信号的线状谱频率(LSF)的一种方法，以生成包括在一个高频段频率范围和所述第一频率范围两者内的相应宽带语音信号的线状谱频率，所述方法的特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)通过将一个矩阵映射应用到窄带语音信号的线状谱频率，导出用于宽带语音信号的高频段频率范围的线状谱频率，通过在第一频率范围中训练映射到宽带语音信号的线状谱频率获得所述矩阵映射，并且从基于反射系数的预定矩阵列表中选择所述矩阵映射；
(b)在窄带语音信号的频率范围中，映射第一频率范围的线状谱频率到宽带语音信号的线状谱频率；和
(c)组合用于高频段频率范围的线状谱频率与窄带语音信号的线状谱频率。
2.根据权利要求1的方法，其中从窄带语音信号中获得基于反射系数的预定矩阵列表。
3.根据权利要求1的方法，其中从宽带线性预测系数中获得基于反射系数的预定矩阵列表。
4.用于扩展在系统的输入端上接收的语音信号的频率范围的一种系统，所述系统包括：
(a)上抽样器，连接到系统的输入端；
(b)输入分析装置，连接到系统的输入端，用于确定线性预测系数和反射系数；
(c)第一滤波器，在其输入端连接到上抽样器的输出端；
(d)频谱折叠装置，包括连接到第一滤波器的输出端的相关输入端，用于执行频谱折叠；
(e)第二滤波器，在其输入端连接到频谱折叠装置的输出端，所述第二滤波器包括构成系统的输出端的输出端，
其特征在于：
(f)所述第一滤波器可用于根据线性预测系数滤波；
(g)所述第二滤波器可用于根据线性预测系数滤波；
(h)所述输入分析装置可用于提供输入到所述输入分析装置的语音信号的线状谱频率；
(i)所述系统进一步包括连接到输入分析装置的输出端的乘法器，所述乘法器可用于将语音信号的线状谱频率乘以二分之一，以便将这样相乘的线状谱频率提供给一个数组添加器和一个高频段线状谱频率(LSP)估计器；
(j)所述数组添加器包括连接到一个线性预测确定器的输入端的输出端，所述线性预测确定器包括一个用于将线性预测系数提供给所述第一滤波器和所述第二滤波器的输出端。
5.根据权利要求4的系统，其中所述高频段线状谱频率估计器用于通过应用一个矩阵到被除以2的线状谱频率来确定高频段线状谱频率。
6.根据权利要求5的系统，其中所述系统可用于从预定矩阵列表中选择该矩阵。
7.根据权利要求6的系统，其中所述系统可用于基于从窄带语音信号中获得的反射系数来选择该矩阵。
8.根据权利要求7的系统，其中所述系统可用于基于从宽带线性预测系数中获得的反射系数来选择该矩阵。
9.一种移动电话，包括根据权利要求4的系统，可用于扩展所述电话中语音信号的频率范围。
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Granted publication date: 20050824

Termination date: 20121109