CN1303508A - 语音编码的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了对描述语音参数的矢量进行编码,某些预定的、不等于零的矢量元素的位置和该矢量元素的代数符号相互分开地进行编码。

Description

语音编码的方法和装置
本发明涉及语音编码的方法和装置，其中语音信号尤其按照CELP原理通过结合语音参数和激励信号来进行编码。
诸如语音信号、音频信号、图像信号和视频信号等信源信号或信源信息几乎总包含有统计冗余，也即冗余信息。通过信源编码可以大大减少该种冗余，由此可实现信源信号的有效传输或存储。在传输之前，这种冗余降低可以消除基于譬如信号变化曲线的统计参数知识之上的冗余信号内容。经过信源编码的信息其比特率也被称为编码速率或信源比特率。在传输之后，该部分又在信源解码时加入到信号中去，这样在客观和/或主观上都可证明没有质量损耗。
另一方面，通常在信号传输时，通过信道编码再把冗余有目的地加入进去，以大大消除信道干扰对传输产生的影响。利用附加的冗余比特，接收机或解码器可以实现故障识别并根据情况进行校正。信道编码信息的比特率也被称作总比特率。
为了利用尤其为无线接口的传输介质的有限传输容量来尽可能有效地传输尤其为语音数据、图像数据或其它有用数据的信息，这些需传输的信息在传输之前通过信源编码被压缩，并通过信道编码来防止信道故障。对此，已知有一些不同的方法。所以譬如在GSM(全球移动通信系统)系统中，借助了一种全速语音编解码器、半速语音编解码器或增强型全速语音编解码器(EFR)来对语音进行编码。
在本申请范围内，用于编码和/或相应解码的、也可以包含有信源编码和/或信道编码的方法也被称为语音编解码器。
在欧洲移动无线标准GSM的继续发展和基于CDMA方法的新移动无线系统的发展范围内，正如该标准化内的UMTS(通用移动通信系统)，已研究了新的编码语音传输方法，它可实现对整个数据速率进行适应性调整，以及在信源编码和信道编码的基础上按信道状态及网络条件(系统负荷)对数据速率的划分进行适应性调整。为代替上述具有固定信源比特率的语音编解码器，此处采用了新的语音编解码器，它可以工作在不同的编解码方式，其中所述编解码方式不同是指其信源比特率(编码速率)不同。
此种具有可变信源比特率或可变编码速率的AMR(适配多速率)语音编解码器的主要目的是为了在不同信道条件下实现语音的固定网络质量、以及通过考虑确定的网络参数来确保信道容量的最优分配。
为此，本发明以该问题为基础，提供一种用于语音编码的方法和装置，以便在对语音信号进行编码时，实现较强的抗传输故障能力，且费用较低。
该问题由独立权利要求的特征部分来解决。发明的扩展由从属权利要求给出。
据此，本发明的思想在于，为了对用于描述语音参数或激励信号的矢量进行编码，某些预定的、不等于零的矢量元素的位置和该矢量元素的代数符号是相互分开进行编码的。
此外，该问题还通过用于语音编码的装置来解决，其中，总是装设一个数字信号处理器，以便为了对用于描述语音参数或激励信号的矢量进行编码，使某些预定的、不等于零的矢量元素的位置和该矢量元素的代数符号相互分开地进行编码。
本发明涉及非常普遍的、用于语音编码的方法，其中，语音信号通过结合语音参数和激励信号来编码。对此，在语音参数方面还涉及作为语音产生基础的统计模型的参数或参量，如LPC或LTP滤波系数，而且在激励信号方面涉及该模型的激励过程信号。该过程可以按统计论或决定论来模拟。作为统计论模拟的例子，存在一些声码器方法，其中激励信号由噪声源来产生。在一种决定论的模拟中，激励信号借助基础模型从语音信号中获取和量化。此处的例子有RPE/LTP(GSM全速编解码器)、VSELP(GSM半速编解码器)及ACELP(GSM增强型全速编解码器)。
下面借助附图来进一步阐述实施例。
图1为通信工程传输链的主要元素图；
图2为基于CELP原理的AMR编码器的图示；
图3为处理单元的原理电路图。
图1示出了产生信源信号qs的信源Q，所述信号qs通过一种诸如GSM全速语音编码器的信源编码器QE被压缩成由符号组成的符号序列。在参数化的信源编码方法中，由信源Q产生的信源信号qs(如语音)被再划分成多个块(如时帧)，并被分开进行处理。信源编码器QE生成量化参数(如语音参数或语音系数)，此种量化参数在下文也被称作符号序列的符号，而且它们还以某种方式反映了当前块内的信源特性(譬如以滤波系数、振幅因子、激励矢量的形式反映语音频谱)。量化后的该符号具有一个确定的符号值。
所述符号序列的符号或相应的符号值通过二进制映射(分配规则)被映射到一系列均具有多个比特位的二进制码字上，而所述的映射经常被描述为信源编码器QE的一部分。倘若该二进制码字譬如依次作为二进制码字序列被进一步处理，那么就会产生一系列经过信源编码的、可插入帧结构的比特位。于是，在实现了这种信源编码之后，信源比特或数据比特db便以由信源编码种类决定的信源比特率(编码速率)构造在帧内。
在此，码本的概念应理解为具有全部量化当量的表格。该表格的记录既可以是标量又可以是矢量。譬如，标量码本可用来量化振幅因子，原因是该振幅因子通常都是标量。使用矢量码本的例子有量化LSF(线谱频率)和量化随机激励。
图2以原理图的形式示出了一种信源编码器的特殊方案，该信源编码器尤其为语音编码器，也即基于CELP(码激励线性预测)原理的AMR编码器。
在CELP原理中涉及到一种合成分析方法。在此，从当前语音段获取的滤波结构通过依次从码本中查得的激励矢量(码矢量)来激励。利用合适的故障判据，滤波器的输出信号与当前的语音段进行比较，并选出使故障最小的激励矢量。滤波结构的表示以及所选激励矢量的位置号被传送到接收机内。
在CELP方法的一种特殊方案中，采用了一种代数码本，此码本也经常被称为稀疏代数码(sparse-algebraic-code)。它是一种多脉冲码本，并装有二进制(+/-1)或三进制脉冲(0,+/-1)。激励矢量内均只有少部分位置占有脉冲。在选出位置之后，用一个振幅因子给该总矢量加权。这种码本具有多个优点。一方面，它不占用存储位置，原因是脉冲的允许位置是通过一种代数计算规则来测定的，另一方面，它可以根据其构造非常有效地搜寻最佳的脉冲位置。
下面借助图2首先讲述一下传统CELP编码器的实施方案。通过搜寻两个码本来仿真需要近似的目标信号。在此，有两个不同的适配码本，一个是适配码本(a2)，其任务是用来仿真谐波语音部分，另一个是随机码本(a4)，它被用来合成没有通过预测而获得的语音部分。适配码本(a2)根据语音信号进行变化，而随机码本(a4)是不随时间变化的。正如激励码矢量的最佳选择所需要的一样，如此地来寻找最佳激励码矢量，以便使码本内不发生共用(亦即同时)搜索，而是从费用角度出发首先搜寻适配码本(a2)。如果找到了依照故障判据的最好激励码矢量，便从目标矢量(目标信号)中减去该最好激励码矢量中用于重构目标信号的份额，并获得一个需通过随机码本(a4)的矢量进行继续重构的目标信号部分。在各个码本内的搜索是根据同一原理来进行的。在两种情形下，为所有激励码矢量计算出如下商值，所述商由被滤波激励码矢量跟目标矢量的相关系数的平方与被滤波目标矢量的能量构成。使该商值最大的那个激励码矢量被看作为使故障判据(a5)最小的最好激励码矢量。接于前方的故障加权器(a6)根据人的听觉特征对故障进行加权。在激励码本内找到的激励码矢量的位置被传送给解码器。
通过计算所述的商，隐含地为每个激励码矢量测定正确的(码本-)振幅因子(放大率1，放大率2)。从两个码本中确定出最佳选择物之后，可以通过对所述放大率进行共同优化，来减小按顺序实施的码本搜索所带来的质量降低作用。在此，预定对原始的目标矢量进行更新，并计算出适合于目前所选激励码矢量的最佳放大率，与在码本搜索时测定的放大率相比，所述放大率通常只有细微的不同。
根据CELP原理，为了找到最佳激励码矢量，每个选择矢量都被单个地进行滤波(a3)，并与目标信号进行比较。
最后，滤波参数、振幅因子以及激励码矢量被转换成二进制信号，并被插到一种固定结构内在帧中进行传输。所述滤波参数涉及LPC(线性预测编码)系数、LTP(长项预测)指数或LTP(长项预测)振幅因子。
LPC剩余信号或激励信号是进行矢量量化的。为了使ROM的需要量较小，采用了代数码本。也就是说，量化当量的储备明显不是位于一个表格之中，而是不同的当量可以借助一种代数计算规则而从索引值中来确定。在码本搜索中，这还具有综合优点。
用于从索引值中确定出激励码矢量的代数计算规则是借助对所谓路径内的矢量空间进行分析而产生的。在一个路径(矢量)内，可以只有位于路径特定的区间上的成分(矢量元素)采取不等于零的值。不等于零的位置被称为脉冲位置。所述脉冲可以按照码本要么具有二进制(-1/+1)数值范围，要么具有三进制(-1/0/+1)数值范围。最后由各个路径的叠加来提供激励码矢量。
这可以借助下面的简单实施例来阐述：
代数码本的大小为20，它可通过2个路径来建立。
字符说明：
0：路径中的允许位置，无脉冲
#：路径中的不允许位置
+：正脉冲
-：负脉冲位置0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19路径1：0 # 0 # 0 # 0 # 0 #  0  #  +  #  0  #  0  #  0  #路径2：# 0 # - # 0 # 0 # 0  #  0  #  0  #  0  #  0  #  0激励：0 0 0 - 0 0 0 0 0 0  0  0  +  0  0  0  0  0  0  0
据此，在对该码本进行编码时，需对每个路径的10个位置和被设置脉冲的代数符号进行编码。利用每个路径多于一个脉冲的码本，可实现较准确的激励信号量化，原因是两个脉冲此后也可以叠加。
于是，路径(矢量)通过脉冲(不等于零的矢量元素)来描述，其中该脉冲可以由其位置(矢量元素指数)和其代数符号来描述。可能的脉冲位置组合用总指数来描述。
被找到的激励矢量在编码时所需要的码字长度等于对脉冲位置和代数符号进行编码时所必需的比特数。如果每个路径只设置一个脉冲，那么，除了用于其位置编码的比特数外，还需要用另一个比特对其代数符号进行编码。
对于每个路径设置两个脉冲的情况，同样只用一个比特对所述代数符号进行有效地编码，这已在GSM-EFR编解码器中采用。此处利用的是位置顺序信息。倘若在同一路径的位置区间内存在两个脉冲，那么，在两个脉冲的代数符号名相同的情况下，在区间内占用位置较小的脉冲首先被编码。当代数符号不同时，占有较高位置的脉冲首先被编码。只传输首先被编码的脉冲的代数符号比特。第二个脉冲的代数符号在解码器方通过分析脉冲位置的编码顺序来确定。
现就每路径具有3个脉冲的码本来说明该原理。在该情形下，由于通过有目的地改变编码顺序而扩展了代数符号编码的原理，所以路径脉冲的代数符号信息另外利用一个比特进行编码。这表明了如下估测：若每路径有PT=3个脉冲，则在传输一个代数符号比特时，将产生 N VZ = 2 P T 2 = 2 3 2 = 4 个可能代数符号组合。脉冲位置的可能排列数目Nperm为Nperm=PT！=3！=6＞Nvz。只要该可能排列的数目大于可能的代数符号组合数目，路径的代数符号信息就必须通过有目的地改变脉冲位置的编码顺序来进行传输。譬如若要建立一个每路径有4个脉冲的码本，那么编码顺序的唯一排列就足以进行代数符号编码了，而不需要另外的代数符号比特。
然而，这种对激励矢量的代数符号信息进行有效编码是以如下方面为代价的，即在传输信道上的易受干扰性增强了。在最不利的情况下，这种对路径的代数符号比特的干扰会使该路径中的所有代数符号返回。同样，对脉冲位置参数的干扰可能会针对同一路径中所有脉冲的代数符号。
出于这个原因，本发明讲述了一种明显较可靠的代数符号编码。对此，借助一个单独的索引，所有可能的脉冲位置都通过一种合适的代数方法进行定址。与此无关的是，脉冲的代数符号总是用一个比特进行编码。
现以速率为9.5千比特/秒的代数码本为例，来讲述一种经过改善的方法。在该码本中，在14个可能位置上设置2个脉冲。对于排列编码的编码格式，需要一个比特用于首先的脉冲代数符号，再为两个脉冲位置两次使用4比特，也就是说一共需要9比特。
该可靠编码方法对可能的脉冲位置进行了编码，并与代数符号无关。由于两个脉冲也可能位于相同的位置，所以涉及重复组合。由组合理论可知，该情形存在 ( 14 + 2 - 1 2 ) = ( 15 2 ) = 105 < 2 7 个可能性。由于该数目小于27=128，所以位置的编码只需要7比特就足够了。两个代数符号均用一个比特进行编码。利用这种方式实现代数符号和脉冲位置的去耦合，而不会增加为了对激励矢量进行编码而需要的比特率。
在仿真中，码本索引的各个比特位置都以100％的故障率被干扰，然后在重新合成之后对所产生的语音SNR进行测量。在此，按照所述较可靠的编码，代数符号的灵敏度约被改善3dB。
在本发明的一种实施方案中，基于编码速率的不同，不同编解码方式通常会有不同的帧大小，由此，其中插入了用于描述滤波参数、振幅因子或激励码矢量的比特位的结构也是不同的。
为了实现可变的编码速率，可通过相应改变用于描述从随机码本中取出的激励码矢量的比特位数来实现该编码速率的改变。于是，通过切换编解码方式来切换到一个与新编解码方式相应的随机码本上，以便选择出该码本中包含的激励码矢量，而为了描述所述的激励码矢量，需要相应变化数量的比特位。这样，相应于不同编解码方式的数目，就会有不同的随机码本。
图3示出了一种处理单元PE，它尤其可以包含在诸如基站BS或移动台MS的通信装置内。它包含有一个控制装置STE和一个处理装置VE，所述控制装置基本上由一种程控微处理器组成，而所述控制装置则由处理器、尤其是数字信号处理器组成，两者都能访问存储元件SPE，以进行读和写。
微处理器控制和操作所有基本元件及处理单元PE所包含的功能单元。由数字信号处理器、数字信号处理器的一部分或一种特殊处理器来负责实现语音编码或语音解码。选择语音编解码器也可通过微控制器或数字信号处理器自己来实现。
输入/输出接口I/O用来把有用数据或控制数据输出到操作单元MMI，或从所述操作单元输入所述数据，该操作单元MMI可以包含有键盘及/或显示器。处理单元的各个元件可以由数字总线系统BUS相互连接起来。
借助本文的说明，技术人员也可以采用与本申请所述CELP编码方法不同的方法来应用本发明。

Claims (10)

1．语音编码的方法，其中，
用于描述语音参数或激励信号的矢量包含有如下矢量元素，即它们当中只有某些预定的矢量元素具有不等于零的值，以及
所述不等于零的矢量元素的位置和所述不等于零的矢量元素的代数符号相互分开地进行编码。
2．根据权利要求1所述的方法，其中，
所述语音参数或激励信号按CELP原理从语音信号中获得。
3．根据上述权利要求之一所述的方法，其中，
所述不等于零的矢量元素的位置一起被编码成索引值。
4．根据上述权利要求之一所述的方法，其中，
所述矢量涉及一种代数码本的激励码矢量。
5．根据上述权利要求之一所述的方法，其中，
所述激励码矢量可通过各个路径的叠加形成。
6．用于语音编码的装置，具有
一个处理单元，它作如此设置，使得用于描述语音参数或激励信号的矢量包含有如下矢量元素，即它们当中只有某些预定的矢量元素具有不等于零的值，以及
所述不等于零的矢量元素的位置和所述不等于零的矢量元素的代数符号相互分开地进行编码。
7．根据权利要求6所述的装置，具有
一个处理单元，它作如此设置，使得所述语音参数或激励信号按CELP原理从语音信号中获得。
8．根据权利要求6至7之一所述的装置，
一个处理单元，它作如此设置，使得所述不等于零的矢量元素的位置一起被编码成索引值。
9．根据权利要求6至8之一所述的装置，其中，
所述矢量涉及一种代数码本的激励码矢量。
10．根据权利要求6至9之一所述的装置，其中，
所述激励码矢量可通过各个路径的叠加形成。
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