CN1272201A - 采用改进的信号编码器和解码器的传输系统 - Google Patents

采用改进的信号编码器和解码器的传输系统 Download PDF

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Abstract

在一个传输系统中,需发送的信号送至源编码器(4)进行编码。经编码的信号送至信道编码器(6)加以纠错编码。信道编码器(6)的输出信号发送给接收机(14)。接收机(14)用信道解码器(18)和源解码器(20)对接收信号进行处理。源编码器包括一个码本词条选择器(42),用来选择三进制产生器(26)产生的一个三进制数,使得根据这个三进制数得出的综合信号是需编码的信号的最佳近似。这样找到的三进制值变换成一个二进制数,使得与仅在一个特定的数位上有差异的二进制数相应的三进制值仅在单个数位上有差异。这样变换的优点是在所述特定数位上的传输差错在感知上影响不大,因为相应的三进制数只有稍有不同。在一个优选实施例中,一个第一码本词条的数值与一个第二码本词条的索引相应,而这个第二码本词条的数值与第一码本词条的索引相应。

Description

采用改进的信号编码器和解码器的传输系统
本发明所涉及的传输系统包括一个具有一个信号编码器的发射机，这个信号编码器有一个用来接收需编码的信号的输入端，所述信号编码器包括一个码本词条选择器，用来选择一个码本词条(codebook entry)，以获得一个给出对表示输入信号的一个信号的最佳近似的综合信号，码本词条包括多个各可以设为多于两个值的样点，所述码本词条用一个码元序列标识，发射机用来将码元序列发送给一个接收机，这个接收机包括一个带一个码本的解码器，用来根据接收到的码元序列得出码本词条。
现有技术的一种传输系统可参见J.De Marca和N.Jayant发表的论文“为多维量化器的代码向量指定二进制索引的算法”(“Analgorithm for assigning binary indices to code vectors of amulti-dimensional quantizer”in the proceedings of IEEEInternational Conference on Communications’87(ICC-87)，Volume 2，PP.1128-1132)。
这样的传输系统例如用于语音或图象信号需在传输容量有限的传输媒体上传输或者需存储在存储容量有限的存储媒体上的场合。这种应用的例子有在互联网上传输语音信号，将语音信号从移动台传输到基站或反之，以及将语音信号存储在CD-ROM上、固态存储器内或硬盘驱动器上。
在如前言所述的传输系统中，需编码的信号与多个综合信号段进行比较。每个综合信号段分别根据一个码本词条得出。这些综合信号段例如可以用一个综合滤波器对码本词条内所含的样点序列进行滤波来获得。与输入信号最佳匹配的综合信号相应的码本词条经编码后发送给接收机。
另一种可能的方式是用一个分析滤波器根据输入信号得出一个残差信号，再将这个残差信号与每个码本词条进行比较。与残差信号最佳匹配的码本词条经编码后发送给接收机。
可以想像，可以直接将输入信号与各码本词条进行比较，匹配最佳的码本词条经编码后加以发送。
在接收机中，对接收到的与码元词条关联的代码进行解码，重构输入信号的一个副本。为此，可将这些样点加到传递函数与在编码器中所用的综合滤波器类似的一个综合滤波器上。如果在编码器中使用了一个分析滤波器，那么就需使用传递函数为这个分析滤波器的传递函数的逆的综合滤波器。
如果在编码器中既不使用分析滤波器也不使用综合滤波器，那么重构的信号直接根据经解码的码本词条得出。
可能出现这样的情况，由于传输不良，所接收的编码码本词条有错。结果，在接收机中一个与在编码器中所选的码本词条不同的码本词条将用来重构输入信号。用错误的码本词条重构输入信号通常会导致在重构的信号中有可察觉的差错。
在按上面提到的参考论文构成的传输系统中，试图通过为类似的码本词条指定类似的码元序列将传输差错的影响尽量减小，使得如果在码元中的一个码元有传输差错，那么与所述错误接收的码元序列相应的码本词条只是稍不同于与原发送的码元序列相应的码本词条。这样就大大减小了传输差错的可察觉影响。
本发明的目的是提供一种比现有技术的系统更能减小传输差错的可察觉影响的传输系统。
为了达到所述目的，本发明的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样本值上有差异。这个特定码元值可以是最低有效码元，但也可以是在码元序列中另一个位置上的一个码元。
在现有技术的系统中对于为码本词条指定码元序列的设计上，假设码元序列中的每个码元都可能出错。这个假设在考虑到对于有些码元通常传输差错的概率有所不同的情况下导致这样为码本词条指定码元序列并非最佳。在编码中，可以对码元序列的一部分进行纠错编码。还可以采用分层调制获得不同的出错概率。通过限制可能出错的码元数，可以减小码本词条之间的差别。
通过使在单个样本上有差异的码本词条分别与在一个特定的码元值(大多数为最容易出错的一个码元值)上有差异的码元序列相应，就可以得到一个接近最佳的码本。
本发明的一个实施例的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条的所述样点值之差等于所述样点值的最小量化步长。
通过选择与“相邻”码元序列相应的样点值之差等于最小量化步长，就可以得到一个就单个传输差错的可感知影响而言是最佳的码本。
本发明的另一个实施例的特征是可能的样点值的个数为奇数。可以看到，在可能样点值数为奇数的情况下，就能用同一个算法来计算码元序列与相应多个样点之间的映射和逆映射。这将减少实现编码器和解码器的组合所需的资源量，因为执行码本有关计算的资源可以共享。
如果编码器和解码器的组合用一个在可编程处理器上运行的程序来实现，那么存储器用来存储这个程序的容量就可以减少。如果编码器和解码器的组合用硬件实现，那么芯片量将可以减少，因为根据多个样点确定码元序列的部分也可以用来根据码元序列确定多个样点。
本发明的又一个实施例的特征是与一个第一码本词条关联的数值等于一个第二码本词条的码元序列的数值，而与这个第二码本词条关联的数值等于第一码本词条的码元序列的数值。
按照本发明的这一情况，可以通过这样两个步骤来确定一个给定码本词条的索引：首先用所述给定码本词条作为索引确定一个第二码本词条，再用这个第二码本词条作为索引确定一个码本词条，这个码本词条就表示给定码本词条的索引。
下面将结合以下附图对本发明进行说明：
图1示出了可采用本发明的传输系统；
图2示出了按本发明设计的语音编码器；
图3示出了按本发明设计的语音解码器；
图4示出了可编程处理器执行将表示码本索引的码元序列变换成相应多个样点的程序的流程图。
在图1所示的传输系统中，需传输的信号加到发射机2内的源编码器4上。源编码器4应用本发明对输入信号进行编码，这将在稍后说明。源编码器4输出的编码信号加到信道编码器6的输入端上。信道编码器6对源编码器的输出信号的一部分进行编码。
对于采用本发明的来说，能用信道编码器6对指示码本词条(codebook entrg)的码元序列中除一个比特外的所有比特编码。对于移动无线传输系统，在信道编码器6中经常采用卷积码。
信道编码器6的输出端与调制器8的输入端连接。调制器8将信道编码器6的输出信号调制到一个载波上。然后，经调制的信号经放大后送至天线10。
可以看到，能够应用分层调制来发送与码本词条相应的码元序列。错发而给出对感知的影响最小的码元是根据叠加在一个主点阵(main constellation)上的子点阵调制的。码元序列的其他码元按主点阵调制。
子点阵的点间距离比主点阵的点间距离小。因此，按主点阵发送的码元与按子点阵调制的码元相比较不容易出错。
在采用分层调制的情况下，可以想象，信道编码能够省去。
天线10发送的信号由天线12接收，送至接收机14。在接收机14中，天线信号经解调器16解调后送至信道解码器18。信道解码器18对接收信号解码，如果可能的话加以纠错。可以看到，接收信号中有一些码元能是完全不编码的，因此这些码元就不加改变地送到信道解码器的输出端。在采用分层调制的情况下，也可以想象，信道解码器18能够省去。在源解码器20中，发射机2的输入信号得到重构。
在图2所示的源编码器4中，需编码的信号加到LPC系数计算块34的输入端上和感知加权滤波器36的输入端上。感知加权滤皮器36的输出端接至减法器40的第一输入端。
激励信号产生器22包括一个呈现为三进制产生器26和存有最近使用的激励信号的自适应码本24的固定码本。三进制产生器26的输出信号表示多个三进制样点，三进制数的每个数字都表示一个三进制的样点值。
三进制产生器26的输出端接至代码变换器29的输入端。代码变换器29将三进制产生器26的输出变换成一个(二进制)传输码元序列。三进制产生器26的输出端还接至乘法器30的第一输入端(可以中间经过一个零插入器27)。信号Go加到乘法器30的第二输入端上。乘法器30的输出端接至加法器32的第一输入端。
自适应码本24的输出端接至乘法器28的第一输入端，而信号GA加到乘法器28的第二输入端上。乘法器28的输出端接至加法器32的第二输入端上。加法器32的输出构成激励信号产生器22的输出，送至滤波系数由LPC系数计算块34提供的感知加权综合滤波器38。感知加权综合滤波器38的输出端接至减法器40的第二输入端。
减法器40的输出端接至控制器42的输入端。控制器42用来寻找一个使感知加权滤波器36输出的感知加权语音信号与感知加权综合滤波器38输出的感知加权综合语音信号之间获得最佳匹配的激励信号。控制器42首先确定自适应码本的码本索引IA和码本增益GA。自适应码本保存有前些激励时间段加到综合滤波器38的激励样点。由于语音信号的周期性，看来最佳激励样点序列会与自适应码本内所存储的一个激励样点序列类似。
找出最佳参数IA和GA后，控制器42继续搜索固定码本的最佳激励参数。固定码本的激励参数是固定码本索引IF和固定码本增益GF。也可能是，从固定码本得出的激励信号由各相隔预定个零的多个激励信号样点的激励脉冲栅构成。在这种情况下，还需确定这些激励脉冲在栅格中的位置PH。
对每个可能的PH位置值来搜索激励参数IF和GF。利用三进制产生器26产生所述三进制样点序列找出这些可能的激励样点序列。对于每个(三进制)样点序列，确定最佳增益。这个增益是通过用所有可能的增益值进行试探、选择使感知加权语音信号与感知加权综合语音信号之间的误差为最小的值GF来确定的。也可以通过首先从感知加权语音信号中减去自适应码本对感知加权综合语音信号的贡献得到一个辅助信号、再将这个辅助信号与一个受到增益为1处理的感知加权综合语音信号的互相关系数除以所述感知加权综合语音信号的功率求出增益因子GF的平方来确定增益因子GF。
这些确定增益因子GF的方法在现有的技术中有详尽的说明，为从事本技术领域的人员所周知。
在下表中给出了固定码本的第一个例子。在这个表中，给出了二进制码元序列和相应的多个样点值。G(i)将样点值表示成一个三进制数，而E(i)表示送至综合滤波器时的样点值。在表1所述的码本中，每个码本词条中的样点数为3。
 B(i)  G(i) E(i)  B(i)  G(i)  E(i) B(i) G(i) E(i)
 00000  000 -1，-1，-1  01001  122  0，+1，+1 10010  200 +1，-1，-1
 00001  001 -1，-1，0  01010  121  0，+1，0 10011  201 +1，-1，0
 00010  002 -1，-1，+1  01011  120  0，+1，-1 10100  202 +1，-1，+1
 00011  012 -1，0，+1  01100  110  0，0，-1 10101  212 +1，0，+1
 00100  011 -1，0，0  01101  111  0，0，0 10110  211 +1，0，0
 00101  010 -1，0，-1  01110  112  0，0，+1 10111  210 +1，0，-1
 00110  020 -1，+1，-1  01111  102  0，-1，+1 11000  220 +1，+1，-1
 00111  021 -1，+1，0  10000  101  0，-1，0 11001  221 +1，+1，0
 01000  022 -1，+1，+1  10001  100  0，-1，-1 11010  222 +1，+1，+1
                          表1
在四个相位PH是可能的情况下，激励信号可以呈现为如以下表2所示
PH  EXCITATION SIGNAL
 0  T，0，0，0，T，0，0，0，T，0，0，0
 1  0，T，0，0，0，T，0，0，0，T，0，0
 2  0，0，T，0，0，0，T，0，0，0，T，0
 3  0，0，0，T，0，0，0，T，0，0，0，T
                         表2
在表2中，字母T表示一个与表1相应的三进制值(-1，0，+1)。如前面所述，激励信号接着由三进制产生器产生。如果对于三进制产生器产生的某个码本词条的均方误差小于在这个码本词条前所试探得出的均方误差，那么就将这个三进制计数值暂时存储在一个缓冲存储器内。在所有的码本词条都试探过后，缓冲存储器就保存下最佳的三进制计数值。
根据这个计数值，码本逆变器29得出传输用的二进制表示。可以看到，按表1的二进制表示的最右的那个比特是最不易受损的，因为它的差错使三进制值只是在一个位置上改变+1或-1。
表1所示的码本按照本发明的情况具有这样的性质：一个第一码本词条G(i1)的二进制表示等于一个表示一个第二码本词条G(i2)的二进制码元序列B(i2)，而所述第二码本词条G(i2)的二进制表示等于与第一码本词条G(i1)关联的二进制码元序列B(i1)。利用这个性质使得对码本词条的编码和解码可以使用同一个表(或算法)。
例如，如果表1内的三进制值G(i1)＝122是最佳码本词条，与此相应的十进制值为1.32+2.31+2.30＝17(十进制值)。17(十进制值)的二进制表示为10001。用这个二进制值对表1寻址，可以找到一个为100的相应三进制值G(i2)。与100(三进制值)相应的二进制值为01001，它等于与三进制值为122的码本词条相应的二进制值B(i1)。
码本逆变器利用上述性质确定需发送的码元序列。需要的只是函数B(i)→G(i)，而这也是在解码器内所需要的函数。因此，这个函数可以在一个包括发射机和接收机的全双2终端内由编码器和解码器共享。
 G(i)  B(i)  G(i) B(i)  G(i) B(i)  G(i)
 00000000  00000  01000000  02121 10000000  11202 11000000  21210
 00000001  00001  01000001  02120 10000001  11212 11000001  21211
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00111111  02122 01111111  11201  10111111  21220
                                       表3
表3包括243个码本词条，用8比特的索引予以寻址。它具有与表1所示的码本相同的有关逆映射的性质。
可以看到，固定码本序列能通过将表1和表3所示序列一次或多次串接获得。除1、2、4和7个样点外，可以用这种方式实现具有任意样点数的码本词条。这对于多速率编码器来说特别有利。这些码本词条的表示可以通过串接相应的5比特或8比特的索引直接形成。
激励参数IA、GA、由B(i)表示的IF以及GF由多路合并器44合并。多路合并器44输出的多路合并信号由信道编码器6(图1)编码。
在图3所示的源解码器20中，从信道解码器18(图1)接收到的信号加到多路分路器46上。多路分路器46从中提取预测参数LPC和激励参数GA、GF、IA和IF，IF由码元序列B(i)表示。
自适应码本索引IA加到自适应码本50的输入端上。自适应码本50的输出加到乘法器54的第一输入端上。自适应码本增益GA加到乘法器54的第二输入端上。乘法器54的输出端接至加法器58的第一输入端。
由码元序列B(i)表示的固定码本索引IF加到具有按本发明设计的码本词条的固定码本52的输入端上。固定码本52的输出端接至乘法器56的第一输入端。固定码本增益GA加到乘法器56的第二输入端上。乘法器56的输出端接至加法器58的第二输入端。加法器58输出的激励信号送至综合滤波器60。激励信号还加到自适应码本的输入端，从而将最近的激励样点写入自适应码本，而将上次的激励样点除去。
综合滤波器60根据加法器58输出的激励信号得出综合语音信号。为此，综合滤波器60从多路分路器46接收LPC参数LPC。
在图4所示的流程图中，加了编号的指令的意义如下：62  BEGIN                                   程序启动。64  L：＝N；MSD：＝MN-1；K：＝I；G：＝0    将游动变量L置为激励样点数N；
                                        将所考虑的最高有效数字(MSD)的值
                                        置为MN-1；
                                        将变量K置为索引I；
                                        将中间结果G置为O。66  L≠1？                                  检验L是否不为1。68  QUOT：＝K DIV MSD；                     根据K和MSD计算变量QUOT和REM；
REM：＝K MOD MSD；
G：＝M*G+QUOT                          计算中间结果G。70  ODD(QUOT)？                             检验变量QUOT是否为奇数。72  K：＝MSD-1-REM                          对于为奇数的K，计算变量K的新值。74  K：＝REM                                对于为偶数的K，计算变量K的新值。76  MSD：＝MSD/QUOT                         计算L、G和MSD的新值。
L：＝L-178  G_OUT＝QUOT*G+K                        计算码本字条的最终值G_OUT。80  END                                     程序结束
图4所示流程的程序用来为一个给定的索引值i计算出相应多个激励样点。可以看到，所发送的是i的二进制表示。这些激励样点用一个M进制的数G(i，N)表示，其中的多个数字分别表示激励样点。N为样点数，因此就是在M进制的数内的数字数。
G(i，N)的计算基于G(i，N)的递归定义。如果每个码本词条包括N个样点，那么这个码本可以表示为一个由L＝MN个样点序列向量X0，X1，X2，…，XL-2，XL-1构成的集合。这个码本可以再用一个样点值扩展为N+1个样点，按照
0x0，0x1，..，0xL-2，0xL-1，1xL-1，1xL-2，..，1x1，1x0，2x0，2x1，..，2xL-2，2xL-1
(对于一个三进制码本的情况)
在各向量上增添相应数字。对于N＝1的情况，函数G(i，N)＝i。对于i大于N的情况，i分解为i与G的第N位数字的值MN-1的商q和余数r。这种分解对于所有满足i小于或等于MN-1的N值执行。根据q，可按下式计算出值G(i，N)：
Figure A9980074100141
图4所示程序根据i以递归方式确定G(i，N)的值。程序在指令62启动。在指令64中，将变量L置为N，将最高有效数字MSD的值置为MN-1，将变量K的值置为需计算的函数G(i，N)的索引i的值，而将变量G置为0。
在指令66中，检验L是否不等于1。如果L不等于1，就用指令68继续进行计算。在指令68中，首先确定K与MSD的商QUOT。再确定K除以MSD所得的余数REM，这相当于确定由K的乘余的这些数字表示的值。最后通过将上次的G值乘以M再加上QUOT确定G的中间值。
在指令70中，检验商QUOT是偶数还是奇数。在QUOT是偶数的情况下，使K的值等于余数REM。在QUOT是奇数的情况下，使K的值等于MSD-1-REM。这样按照QUOT值的偶数和奇数以不同方式计算K是由于要将G的值排成索引i的函数。由表1可见，对于G的最高有效数字为偶数值的情况，除一个外，G的最高有效数字的值随i增大而增大；而对于G的最高有效数字为奇数的情况，除一个外，G的最高有效数字的值随i增大而减小。
在指令76中，将MSD的值除以M，为重复以上对I的最高有效数字(除一个外)的计算作好准备。接着将L的值减1，程序返回执行指令66。这样，就将I的所有数字都变换成由G表示的码本词条。如果L等于1，变换过程结束，执行指令78，通过将所求得的G值乘以M后再加上K值计算出G的最终值。在指令80中，程序终止。
在按上述程序计算出的码本词条送至综合滤波器前，必需将它变换成M进制表示。如前面所述，按照图4所示程序执行的算法也可以用来根据一个给定的码本词条求得索引i。为此，程序首先以这个码本词条作为输入加以调用。然后，程序必需再次调用，但现在是用第一次调用程序所得的结果作为输入。这样，通过将第二次调用程序所得的结果变换成一个二进制数，就可以求得索引i。

Claims (11)

1.一种传输系统，包括一个具有一个信号编码器的发射机，这个信号编码器有一个用来接收需编码的信号的输入端，所述信号编码器包括一个码本词条选择器，用来选择一个码本词条，以获得一个给出对表示输入信号的一个信号的最佳近似的综合信号，码本词条包括多个各可以设为多于两个值的样点，所述码本词条用一个码元序列标识，所述发射机用来将码元序列发送给一个接收机，所述接收机包括一个带一个码本的解码器，用来根据接收到的码元序列得出码本词条，所述传输系统的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
2.按权利要求1所述的传输系统，其特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条的样点值之间的差等于所述样点值的最小量化步长。
3.按权利要求1或2所述的传输系统，其特征是可能的样点值的个数为奇数。
4.按权利要求3所述的传输系统，其特征是一个与一个第一码本词条关联的数值等于一个第二码本词条的码元序列的数值，而与第二码本词条关联的数值等于与第一码本词条关联的码元序列的数值。
5.一种具有一个信号编码器的发射机，这个信号编码器有一个用来接收需编码的信号的输入端，所述信号编码器包括一个码本词条选择器，用来选择一个码本词条，以获得一个给出对表示输入信号的一个信号的最佳近似的综合信号，码本词条包括多个各可以设为多于两个值的样点，所述码本词条用一个码元序列标识，所述发射机用来发送码元序列，所述发射机的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
6.一种接收一个编码信号的接收机，所述编码信号包括一个表示由多个各可以设为多于两个值的样点构成的一个码本词条的码元序列，所述接收机包括一个带一个码本的解码器，用来根据接收到的码元序列得出码本词条，所述接收机的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
7.一种具有一个用来接收需编码的信号的输入端的信号编码器，所述信号编码器包括一个码本词条选择器，用来选择一个码本词条，以获得一个给出对表示输入信号的一个信号的最佳近似的综合信号，码本词条包括多个各可以设为多于两个值的样点，所述码本词条用一个码元序列标识，所述信号编码器的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
8.一种对一个编码信号进行解码的解码器，所述编码信号包括一个表示由多个各可以设为多于两个值的样点构成的一个码本词条的码元序列，所述解码器有一个码本，用来根据接收到的码元序列得出码本词条，所述解码器的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
9.一种传输方法，包括选择一个码本词条，以获得一个给出对表示输入信号的一个信号的最佳近似的综合信号，码本词条包括多个各可以设为多于两个值的样点，所述码本词条用一个码元序列标识，所述方法还包括将码元序列发送到传输媒体上以及从传输媒体接收码元序列和根据接收到的码元序列得出码本词条，所述方法的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
10.一种编码方法，包括选择一个码本词条，以获得一个给出对表示输入信号的一个信号的最佳近似的综合信号，码本词条包括多个各可以设为多于两个值的样点，所述码本词条用一个码元序列标识，所述方法的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
11.一种对一个编码信号进行解码的方法，所述编码信号包括一个表示由多个各可以设为多于两个值的样点构成的一个码本词条的码元序列，所述解码方法包括根据接收到的码元序列得出码本词条，所述方法的特征是与在一个特定码元值上有差异的码元序列相应的码本词条只是在单个样点值上有差异。
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