CN1222995A - 传送语音信号的通信网络 - Google Patents

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Abstract

在发射机(1)通过网络(4)把语音信号发送给接收机(8)的语音通信网络中,会出现传送给该网络(4)的语音业务量超过其处理能力的情况。为了减轻网络负荷,至少一个节点(24)包括删除表示语音信号的预测参数中的一些的位速率减小装置。也会出现接收机中的语音译码器没有足够的计算能力来译码被编码的语音信号的情况。在这种情况下,语音译码器只利用可得到的一部分预测参数。这样就降低了合成滤波器(60)的复杂性。

Description

传送语音信号的通信网络
本发明涉及包括发射机的通信网络，至少一个所述发射机包括具有从输入信号获得预测滤波器的多个预测系数和激励信号的装置的语音编码器，该发射机还包括产生包括了所述多个预测系数的表示和所述激励信号的表示的符号序列的多路复用器，该通信网络把该符号序列发送给具有语音译码器的接收机。
本发明还涉及接收机、译码器和传输方法。
第一段所述的通信网络在1996年10月8日的“个人计算机杂志(PC Magazine)”第102-120页的论文“网络上的实时通信”中有描述。
随着Internet(因特网)用户数量的迅速增加和语音编码技术的提高，基于Internet的通话会成为普通PSTN网络的真正的替代物。由于可实现费用的显著降低，对国际电话来说更是如此。为了把所需的位速率从标准的64kb/s减小到范围在2-16kb/s之间的低得多的速率，第一段所述的通信网络使用了语音编码器。
大多数语音编码器产生语音译码器中的合成滤波器的参数，同时还产生要施加给该合成滤波器的合适的激励信号。确定滤波器参数的基础是所谓的预测参数，这些参数确定了输入语音信号的短期频谱。激励信号的确定有不同的方法。一种方法是合成分析法，这种方法利用预定个数的激励信号合成语音信号，选择产生与输入语音信号最匹配的合成语音信号的激励信号。另一种确定激励信号的方法是利用逆合成滤波器滤波输入语音信号，并编码所述滤波器输出端处的残余信号。
第一段所述的通信网络存在的问题是传送给该网络的语音业务量有可能超过其处理能力。这会造成连接的中断或造成待发送语音信号较长的延迟。还可能出现编码语音信号的格式过于复杂，接收机中的译码器无法进行译码的情况。
本发明的目的是提供克服了上述问题中的至少一个的通信网络。
因此，该通信网络的特征在于包括删除表示某些预测参数的部分符号序列的装置，还在于用译码器来根据余下的部分符号序列再现语音信号。
如果用位于接收机之外的网络删除表示预测参数的部分符号序列，则能够显著地减轻网络的负荷。如果用接收机删除表示预测参数的部分符号序列，则合成滤波器的复杂性、因而接收机的复杂性可减轻至译码器能够译码余下的部分符号序列的程序。通过删除表示某些预测参数的部分符号序列，仍能用合成滤波器来再现语音信号，合成滤波器只使用可得到的预测参数，付出的代价是略微降低了语音质量。
本发明的一实施例的特征在于预测系数的所述表示以反射系数为基础。
使用基于反射系数的表示的优点是甚至数目减少了的接收反射系数仍可直接用来控制合成滤波器。对于预测系数的某些其它表示、例如a参数或线状谱频率(Line spectral Frequencies)，基于数目减少的接收系数的合成会导致语音质量的显著降低。
本发明另一实施例的特征在于所述表示包括对数面积比(logarithmic area ratios)。
使用对数面积比的优点是它们在容易导出合成滤波器的参数的适用性方面具有与反射系数相同的性质。对数面积比的另一个性质是如果合成滤波器的参数是从量化的对数面积比导出的，则量化不造成大的合成误差。
现在参看附图描述本发明。
图1表示本发明的在其内实现了位速率减小的通信网络；
图2是由表示语音信号的符号序列组成的帧的结构；
图3是本发明的在网络中使用的接收机的方框图；
图4是在图1的网络中使用的位速率减小装置的方框图；
图5是在图3的接收机中使用的位速率减小装置38和位流解格式化器42的组合的一种替代实现。
在图1的通信网络中，发射机1和接收机8与传输网络4连接。发射机1的输入端与语音编码器2的输入端连接。语音编码器2的第一输出端--输出表示预测系数的信号PR-与多路复用器3的第一输入端连接。语音编号器2的第二输出端-输出表示激励信号的信号EX-与多路复用器3的第二输入端连接。多路复用器3的输出端与发射机1的输出端连接。发射机1的输出端与传输网络4中的节点10连接。节点10与节点12和14连接。节点14还与节点24连接。节点24包括用来删除部分符号序列的装置，该装置用位速率减小装置26来表示。节点24与节点16、节点20和节点22连接。节点22还与节点12连接。端子6与节点16连接，该节点还与节点20和节点18连接。节点18与节点20连接。接收机8与传输网络4中的节点20连接。
在对图1通信网络的描述中，假设语音编码器已被用来对由输入语音信号的多个取样值组成的帧进行编码。在该语音编码器中，根据语音信号逐帧地计算表示该语音信号的短期频谱的多个预测系数。这些预测系可具有各种表示。最基本的表示是所谓的a参数。通过使误差信号最小来确定a参数a[i]。要被最小化的误差信号的不同类型是公知的。一个例子如下： E = Σ n = 1 N ( s ( n ) - Σ n = 1 P a [ i ] · s ( n - i ) ) 2 - - - - - ( 1 ) 公式(1)中的s(n)代表语音取样值，N代表一语音帧中取样值的数目，P代表预测顺序，i及n是游动参数。因为a参数对量化误差非常敏感，所以一般不传送它们。使用所谓反射系数或它们的导数、例如对数面积比和逆正弦变换可在这方面得到改进。利用以下的递归可从a参数确定反射系数r[i]： LAR [ i ] = 1 n ( 1 - r [ i ] 1 + r [ i ] ) - - - - - - ( 3 )
gk=sin-1(r[i])    (4)预测参数的另一种合适表示是所谓线状谱对(Line Spectrum Pairs)或线状谱频率。预测系数的上述表示对于本领域普通技术人员是熟知的。在语音编码器的第一输出端可获得预测系数的表示PR。
除预测系数的表示外，语音编码器还提供信号EX，即激励信号的表示。为便于描述本发明，将假设激励信号用固定及自适应码簿的码簿索引和相关的码簿增益来表示，但应认识到本发明的范围不受这种激励信号的限制。于是激励信号由被它们各自的增益系数进行了加权的码簿条目之和来形成。这些码簿条目和增益系数用合成分析法来确定。
预测信号的表示和激励信号的表示被多路复用器3进行多路复用，然后被传送给传输网络4。传输网络4可以是例如ATM网络这样的分组交换网络或基于TCP/IP协议的Internet。语音信号可经由不同的路径穿过网络到达接收机8。
网络4的各节点处设置了位速率减小装置26，在网络高业务量情况下，该装置能够删除待发送语音信号的某些预测参数的表示。网络负荷的减轻将防止在这种高业务量情况下被发送语音信号质量严重下降。
图2的帧28包括用来传送所述帧的必要性质的标题30。它包括在专用于预测系数的表示的部分32中传送的预测系数的实际数目。或者，它也可以表示供各预测系数使用的位数。该帧中的部分34……36表示激励信号。因为在CELP编码器中可把信号取样值的帧细分成M个子帧，每一个子帧有自己的激励信号，所以在该帧内有M个部分，以便表示整个帧的激励信号。
在接收机8中，输入信号被任选地通过位速率减小装置38输入给译码器40的输入端。在译码器40中，位流解格式化器42的输出端与参数译码器44的相应输入端连接。参数译码器44的第一输出端-输出表示P预测参数的输出信号C[P]-与LPC系数内插器46的输入端连接。参数译码器44的第二输出端-输出表示固定码簿索引的信号FCBK INDEX-与固定码簿52的输入端连接。参数译码器44的第三输出端-输出表示固定码簿增益的信号FCBK GAIN-与乘法器54的第一输入端连接。参数译码器44的第四输出端-输出表示自适应码簿索引的信号ACBK INDEX-与自适应码簿48的输入端连接。参数译码器44的第五输出端-输出表示自适应码簿增益的信号ACBK GAIN-与乘法器54的第一输入端连接。
自适应码簿48的输出端与乘法器50的第二输入端连接，固定码簿52的输出端与乘法器54的第二输入端连接。乘法器50的输出端与加法器56的第一输入端连接，乘法器54的输出端与加法器56的第二输入端连接。加法器56的输出端一输出信号e[n]-与合成滤波器60的第一输入端连接，还与自适应码簿48的输入端连接。
LPC系数内插器46的输出端一输出表示反射系数的信号r[P][M]-与变换器58的输入端连接。变换器58的输出端-输出表示a参数的信号a[P][M]-与合成滤波器60的第二输入端连接．在合成滤波器60的输出端处可得到再现的语音信号
Figure A9880041000081
在接收机8中，译码器40输入端处的位流被解格式化器42进行分解。根据标题内的信息的不同，从位流中提取预测系数并将它们传送给LPC系数内插器46。为了减小接收机的复杂性，接收机还可提取比位流中可得到的LPC系数少的LPC系数。
预测参数的确定以查阅表为基础，查阅表根据表示第i个反射系数的索引c(i)给出反射系数的值。为了能够在一个表中查出反射系数，对于i的每一个值，用一子表来确定偏移值Offset。假设在输入帧中最多有20个预测参数。
    i    偏移     i    偏移
    0     13     10     18
    1     0     11     17
    2     16     12     19
    3     12     13     17
    4     16     14     19
    5     13     15     18
    6     16     16     19
    7     14     17     17
    8     18     18     19
    9     16     19     18
                     表1
对于每一个接收的预测参数，通过把预测系数的顺序号i作为输入而根据表1确定主表(表2)中的偏称。然后把偏移值Offset以号C[i]相加来确定表2中的条目。利用所述条目就可从表2中读出相应反射系数r[k]的值。
C[i]+偏移       r[i] C[i]+偏移      r[i]
    0     -0.9896     25     0.4621
    1     -0.9866     26     0.5546
    2     -0.9828     27     0.6351
    3     -0.9780     28     0.7039
    4     -0.9719     29     0.7616
    5     -0.9640     30     0.8093
    6     -0.9540     31     0.8483
    7     -0.9414     32     0.8798
    8     -0.9253     33     0.9051
    9     -0.9051     34     0.9253
    10     -0.8798     35     0.9414
    11     -0.8483     36     0.9540
    12     -0.8093     37     0.9640
    13     -0.7616     38     0.9719
    14     -0.7039     39     0.9780
    15     -0.6351     40     0.9828
    16      0.5546     41     0.9866
    17     -0.4621     42     0.9896
    18      0.3584     43     0.9919
    19     -0.2449     44     0.9937
    20     -0.1244     45     0.9951
    21        0     46     0.9961
    22     0.1244     47     0.9970
    23     0.2449     48     0.9977
    24     0.3584
                         表2
表2所确定的反射系数集合描述了每帧的第M个子帧的短期频谱。通过在当前帧的预测系数和过去帧的预测系数之间进行内插来确定一个帧的未来子帧的预测参数。但是，不是根据反射系数而是根据利用反射系数计算的对数面积比来进行内插。对数面积比可表示为： I k [ i ] = 1 n ( 1 - r k [ i ] 1 + r k [ i ] ) - - - - - - - - - - ( 5 ) 对于帧K的子帧m，对数面积比的内插值是： I ^ k [ i ] [ m ] = M - m M I k - 1 [ i ] + m M I k [ i ] ; 0 ≤ i ≤ P - 1 ; 1 ≤ m ≤ M - 1 - - - ( 6 ) 根据每一内插的对数面积比可如下地计算内插反射系数： r ^ k [ i ] [ m ] = 1 - e i k [ i ] [ m ] 1 + e i k [ i ] [ m ] ; 0 ≤ i ≤ P - 1 ; 1 ≤ m ≤ M - 1 - - - - - ( 7 ) 对于m=M，
Figure A9880041000114
[i][m]不需要进行计算，可直接从表2得出。根据以下递归可从反射系数获得a参数：公式(8)计算出的a参数施加给合成滤波器60。合成滤波器60按下式计算输出信号
Figure A9880041000116
S ^ [ n ] = e [ n ] + Σ n = 1 P - 1 a [ i ] · S ^ [ n - i ] - - - - - - - ( 9 ) 公式(9)中的e[n]是激励信号。
在传送给参数译码器的预测系数的个数因如本发明那样进行了位缩减而少于P的情况下，就用小于P的值P’来代替P。合成滤波器中使用的序号大于P’的a参数设定为0。
参数译码器44还从位流中为每一个子帧提取参数ACBKINDEX、ACBK GAIN、FCKB INDEX和FCBK GAIN，并把它们提供给译码器的相应部件。固定码簿52响应从参数译码器44接收的固定码簿索引(FCBK INDEX)为每一个子帧提供一系列激励取样值。这些激励取样值被乘法器54利用增益系数进行定标，增益系数用从参数译码器44接收的固定码簿增益(FCBK GAIN)来确定。自适应码簿48响应从参数译码器接收的自适应码簿索引(ACBK INDEX)为每一个子帧提供一系列激励取样值。这些激励取样值被乘法器50利用增益系数进行定标，增益系数用从参数译码器44接收的自适应码簿增益(ACBK GAIN)来确定。乘法器50和54的输出取样值被相加，以便获得提供给合成滤波器的最后激励信号e[n]。每一个子帧的激励信号取样值还被移位入自适应码簿，以便提供所述码簿的自适应。
在图4的位速率减小装置26、38中，输入信号被传送给解格式化器62。输出表示图2帧的标题的解格式化器的第一输出端与标题处理器64的输入端连接。表示将要被位速率减小装置传送的预测系数的数目的控制信号CONTROL输入标题处理器64的控制输入端。输出多路复用器68的控制信息CNTR的标题处理器64的第一输出端与所述多路复用器68的控制输入端连接。标题处理器64的第二输出端与减小单元66连接。输出表示修改标题的信号H’的标题处理器64的第二输出端与多路复用器68的第一信号输入端连接。
解格式化器62的第二输出端-传送表示由编码器确定的预测参数的输出信号PR-与减小装置66的信号输入端连接。减小装置66的输出端-传送表示数目减少了的预测系数的信号PR’-与多路复用器68的第二信号输入端连接。
解格式化器的第三输出端-输出表示激励信号的信号-与多路复用器68的第三输入端连接。在多路分解器的输出端可获得位速率被减小的信号。
在解格式化器62中，具有图2所示帧的结构的输入信号被分解成标题H、预测系数PR和激励信号EX三个部分。读标题的内容，以便确定由信号PR表示的预测系数数目。响应控制信号，标题处理器确定可被传送给多路复用器68的输入端的预测系数的个数。这一数目还被传送给减小装置66。响应这一信息，减小装置66只把允许数目的预测参数传送给多路复用器68，阻塞其余预测参数。
标题处理器把CNTR信号提供给多路复用器68，告诉其对各输入信号执行的多路复用周期，以便实现对标题、预测系数和激励信号的正确多路分解。
在位速率减小装置38和位流解格式化器42两者的装置组合中，输入信号传送给解格式化器70的输入端。输出表示标题的输出信号的解格式化器70的第一输出端与标题处理器72的第一输入端连接。控制信号传送给标题处理器72的控制输入端。输出表示预测参数的信号PR的解格式化器70的第二输出端与减小装置74的输入端连接。减小装置74的输出端与38和42两者的装置组合的输出端连接。标题处理器72的输出端与减小装置74的控制输入端连接。输出表示激励信号的信号的第三输出端与装置组合38+74的输出端连接。
图5的装置组合38+42的操作与图4的位速率减小装置的操作类似。因为参数译码器44要求不同的参数、例如预测系数和激励信号分开来提供，所以不需要对这些信号进行多路分解。也不需要构造新的标题。因此，与单独的位速率减小装置38和位流解格式化器42的设计相比，装置组合38+42的复杂程度得到了大大地减轻。

Claims (12)

1．包括发射机的通信网络，至少一个所述发射机包括一语音编码器，该语音编码器具有根据输入信号产生预测滤波器的多个预测系数和激励信号的装置，该发射机还包括一多路复用器，该多路复用器产生包括所述多个预测系数的表示和所述激励信号的表示的符号序列，该通信网络把该符号序列发送给具有语音译码器的接收机，该通信网络的特征在于还包括删除表示某些预测参数的部分符号序列的装置，还在于用译码器来根据余下的部分符号序列再现语音信号。
2．权利要求1的通信网络，其特征在于语音译码器包括一合成滤波器，还在于用语音译码器来根据接收的部分符号序列产生合成滤波器的滤波系数的缩减集合。
3．权利要求1或2的通信网络，其特征在于预测参数的所述表示以反射系数为基础。
4．权利要求3的通信网络，其特征在于所述表示包括对数面积比。
5．接收用于包括多个预测系数的表示和所述激励信号的表示的符号序列表示的语音信号的接收机，该接收机的特征在于根据多个反射系数中的一些反射系数的表示被丢失的符号序列再现语音信号。
6．权利要求5的接收机，其特征在于语音译码器包括一合成滤波器，还在于用语音译码器来根据接收的部分符号序列产生合成滤波器的滤波系数的缩减集合。
7．权利要求5或6的接收机，其特征在于预测参数的所述表示以反射系数为基础。
8．接收用于包括多个预测系数的表示和激励信号的表示的符号序列表示的语音符号的接收机，该接收机的特征在于包括从所述输入信号提取数目减少了的预测系数的装置，该接收机利用所述数目减少了的预测系数再现语音信号。
9．用于译码由包括多个预测系数的表示和激励信号的表示的符号序列表示的语音信号的语音译码器，该译码器的特征在于根据多个反射系数中的一些反射系数的表示被丢失的部分接收符号序列再现语音信号。
10．再现用包括多个预测系数的表示和激励信号的表示的符号序列表示的语音信号的语音译码器，该译码器的特征在于包括从所述输入信号中提取数目减少了的预测系数的装置，该语音译码器利用所述数目减少了的预测系数再现语音信号。
11在通信网络中使用的节点，用来接收代表语音信号的符号序列，所述符号序列包括多个预测系数的表示和激励信号的表示，该节点把从所述序列导出的另一序列发送给接收机，该节点的特征在于包括通过删除表示某些预测参数的部分符号序列来获得该另一序列的装置。
12．接收代表语音信号的符号序列的通信方法，所述符号序列包括多个预测系数的表示和激励信号的表示，该方法包括发送从所述序列导出的另一序列的步骤，该方法的特征在于还包括通过删除表示某些预测参数的部分符号序列来获得该另一序列的步骤。
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