CN1322347A - 校正音频信号的处理电路、接收机、通信系统、移动设备及其方法 - Google Patents

Abstract

在发送机与接收机之间传输划分成一些帧的音频信号可能引起在信号中有讨厌的不自然现象。本发明通过得出表示能量的数值(CAL)和将这个数值与一个得出的估计(EST)相比较减小了解码帧中的这些不自然现象。一个帧在这个数值超过估计很大(DSP)时就予以校正(CORR)。

Description

校正音频信号的处理电路、接收机、通信系统、 移动设备及其方法

                     发明领域

本发明涉及处理以一系列样点发送的、划分成一些各包括一组相继样点的相继帧的数字音频信号的处理电路。

本发明还涉及接收以一系列样点发送的、划分成一些各包括一组相继样点的相继帧的数字信号的接收机。

本发明还涉及在发送机与接收机之间发送数据帧的通信系统。

本发明还涉及一种配置有一个对语音信号在用户听到前按照本发明的方法执行处理的处理电路的移动设备。

本发明也涉及一种处理以一系列样点发送的、划分成一些各由一组相继样点形成的相继帧的数字信号的方法。

本发明特别适用于移动无线电话中的音频信号处理。

                  发明背景

从发送机向接收机发送的GSM音频信号在传输系统中遵循着一条传统的基带传输路径，如图1所示。首先，包括送话器和模数转换器的单元1接收到一个语音信号Si后就将它变换成一个数字语音信号Sd。这个数字语音信号Sd于是由语音编码器2和信道编码器3相继编码。平均说来，这两个编码步骤可以随时压缩发送的数据量。这样，就使传输系统的总带宽可以得到更有效的利用，从而可以同时处理几个电话呼叫。信道编码器3对来自语音编码器2的信号进行检错和纠错编码，得出一个编码语音信号E。编码语音信号E于是送至信道解码器4进行信道解码后传送给纠错单元5，以便使来自信道解码器4的信号可以部分除去由于编码和传输而引起的差错。来自纠错单元5的经部分纠错的信号再由语音解码器6解码。最后，语音解码器6解码输出的信号So转交给一个包括数模转换器和扬声器的单元7，为用户提供听得见的模拟信号。在传统的如图1所示的基带传输路径中，相继对信号进行的编码和传输可能导致在解码输出信号So中有不自然现象。信号So以一系列信号样点发送，可以划分成一些各由一些信号样点组成的相继帧，而上述的不自然现象可能呈现为令人讨厌的高电平帧或失真帧。

国际申请WO98/38764揭示了一种帧校正装置，其中将一个帧在满足几个不同的比较准则的确定逻辑组合时定义为异常帧。为每个帧根据先前一些帧的能量得出一个能量值。一个帧可以在它的能量超过一个确定的门限时定义为异常帧。一个帧也可以在它的能量与前一个帧的能量的比较结果超过了一个最大值界限时定义为异常帧。在这个文件中，用来自语音编码器的参数计算一个帧的能量。然而，所提出的这种方法只能用于来自一个标准的全码率编码解码器。

                    发明概述

本发明的目的是改善音频信号经任何相继编码、传输和解码后的质量。

为此，本发明所提出的处理电路包括：得出表示一个帧的能量的数值的运算装置；根据表示至少一个先前帧得出所述表示本帧的能量的数值的一个估计的估计装置；以及在表示一个帧的能量的数值与相应估计之间的差大于一个预定门限时处理所述帧的各个样点的校正装置。

对于每个帧来说，得出的数值表示一个帧的能量，而不取决于任何先前帧的能量。这个能量值可以称为短期能量。另一方面，表示本帧的能量的数值的估计在计算中考虑了至少一个先前帧的能量。对于一个给定的帧，可以将这两个值进行比较，而表示能量的数值与所述数值的估计之间的差不应该超过一个预定门限。实际上，表示一个帧的能量的数值不应该反常地超过相应估计。一个它的能量的数值过分大于相应估计的帧可以认为是一个异常帧，这样的帧通过衰减它的那些样点的电平加以校正。不同于现有技术所揭示的装置，本发明所提出的处理电路并不局限于处理由某种编码解码器得出的信号。因此，本发明的优点是可以对来自任何种类的语音编解码器的信号进行校正，因为本发明的校正是在语音译码后执行的。此外，在现有技术中，能量是对于具有固定长度的帧得出的，而这长度由全码率编码解码器的要求给定。在这个文件中，每个帧为20ms长，包括160个样点。按照本发明，表示能量的数值可以对于具有任何长度的帧得出。因此，本发明的一个优点是能对可以适合于信号的帧进行检侧和校正，从而可以比现有技术中所提出的装置更为精确。

在本发明的一个实施例中，所述估计在必要时根据校正装置先前处理的至少一个先前帧得出。校正处理可以采用众所周知的校正技术，诸如衰减检测为有错误的帧的技术，或者用检测为正常的其他帧的内插代替的技术之类。

在这个实施例中，在计算一个帧的能量的数值的估计中所用的那些帧或者是正常帧，或者经校正装置先前校正了的帧。在现有技术所提出的装置中，一个帧为异常帧是根据将这个帧的能量的某个值与只是一个先前的非错误帧的能量相比较来检测的。然而，这个非错误的参考帧实际上可能是一个没有被检测装置检测出来的异常帧。这个错误可能会扩展开来，因为许多随后的异常帧也可能不能被现有技术的装置检测出来。在本发明的处理电路中，检测异常帧考虑了在一段持续时间内先前几个帧的能量的演变情况，而不考虑帧的类型。因此，可以使任何用户避免听到任何有害于用户听觉系统的意外高响声。

在本发明的一个优选实施例中，预定门限取决于表示帧的能量的数值的估计。

在这个优选实施例中，可以将门限取为能量的估计值的函数，取决于至少一个先前帧的能量的估计。这样可以比现有技术中所提出的更为精确地检测出异常帧。但是，门限也可以根据一些例如可以表示这些先前帧的背景的外来参数修改。这样的外来参数可以指示例如接收信号的质量。

                     附图简要说明

下面将结合附图以所揭示的实施例为例对发明的具体情况进行说明。在这些附图中：

图1为通信系统的传统的基带传输路径的方框图；

图2为可以采用本发明的通信系统；

图3为按照本发明设计的接收机的方框图；

图4为按照本发明设计的处理电路；

图5为按照本发明进行处理的方法的流程图；以及

图6为按照本发明的最大允许偏差值的说明图。

                    发明详细说明

图2示出了可以采用本发明的通信系统100的实施例，通过通信信道103在至少一个发送机101与至少一个接收机102之间发送编码音频数据帧D。在这个实施例中，数据D例如是在一个移动电话系统的基站101与蜂窝电话机102之间发送的音频数据。音频数据D在一个可以是无线的环境103中传送。根据通信的类型，如果是双向通信，接收机102可以也是发送机，而发送机101也可以是接收机。例如在蜂窝电话机102向基站101发送消息时就出现这种情况。此外，音频数据D的编码可以用任何编码器，例如EFR(增强的全码率)编码器、HR(半码率)编码器或AMR(自适应多码率)编码器。

图3为包括本发明的处理电路10的接收机102的一个可行实施例。在这个实施例中，接收机102首先包括一个解调器DEM，用来对所接收的编码信号进行解调。例如，编码GSM信号以频率900Mhz通过无线电传送。解调器接收到这个GSM信号后，就将它变换到基带频率范围。接收机102还包括诸如前面所述的信道解码器4、语音解码器5、纠错单元6。本发明的处理电路10设置在语音解码器5和纠错单元6后，对来自纠错单元6的数字信号So进行处理，产生一个经校正的信号Scorr。经校正的信号Scorr加到单元7的数模转换器再加到单元7的扬声器上。如前面提到的那样，信号So可能含有讨厌的不自然现象。处理电路10可以改善信号So的音频质量，产生清除了起初在信号So中所存在的不自然现象的经校正的信号Scorr。

按照本发明的另一个实施例，处理单元10可以受例如信道解码器4或语音解码器5送来的外来参数控制。这些外来参数可以是指示接收信号质量的质量标志。这样的标志可以是例如GSM(全球移动通信)建议书中的RX_QUAL参数的类型。

图4示出了本发明的处理电路的一个优选实施例。处理电路10包括运算装置CAL，它接收以一系列样点x(k)发送的数字解码信号So。在那里，信号So划分为一些帧Fn。因此，一个帧Fn包括数字信号So的一组样点x(k)，x(k)是信号So的第k个样点，而Fn是信号So的第n个帧。在本发明的这个优选实施例中和在下文中，帧Fn是相继的，不相互交叠，而且具有相同的长度L。L为每个帧Fn中的样点x(k)的数目。然后，运算装置CAL为每个帧Fn得出表示本帧Fn的能量的数值Mn。在本发明的一个实施例中，这个表示帧Fn的数值Mn取作帧Fn中的各样点x(k)的绝对值的算术平均，如式(1)所示。 $\mathrm{Mn}=\frac{1}{L}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|x(\mathrm{nL}+i)\right|---\left(1\right)$

也可以用其他方式得出表示能量的数值Mn，可以实现对帧Fn中的样点x(k)进行平均的任何其他运算，例如求帧Fn中的样点x(k)的均方值之类。

这样得出的数值Mn可以认为是帧Fn的短期能量，因为这个数值Mn不取决于先前帧。

处理电路10还包括估计装置EST，用来根据表示至少一个先前帧的能量的数值的估计得出本帧Fn的能量的数值Mn的估计En。在本发明的一个实施例中，在计算估计En中所用的任何先前帧都是先前经处理单元10校正了的。得出估计En的简易方式是利用如下式(2)：

En＝(1-α)Mn+αEn-1                 (2)

其中，α为小于1的正数，而En-1为前一帧Fn-1的能量的估计。所得到的帧Fn的能量的估计En存储在存储单元MEM内。在使用式(2)时应当指出的是只有少数最近的先前帧对计算数值Mn的估计En的值有较强的影响。实际上在式(2)中表示为帧Fn的第j个先前帧的帧Fj的能量的数值Mj要乘以一个系数αⁱ(1-α)，其中α小于1，因此在j较大时它在计算表示帧Fn的能量的数值Mn的估计En中的影响可以忽略。因此，在本发明的一个实施例中，这个估计En可以通过对表示帧Fn的能量的数值Mn进行低通滤波得出。

对于一个给定的帧Fn，得出的数值Mn和估计En发送给比较单元COMP。比较单元COMP估计出表示帧Fn的能量的数值Mn与这个数值Mn的估计En的偏差Dn。Dn为得出的数值Mn与估计En之间的差，如式(3)所示。

Dn＝Mn-En                 (3)

然后，将这偏差Dn与一个由门限估计器TD确定的门限Tn相比较。

为了计算门限Tn，估计En也传送给单元TD。门限Tn为表示帧能量的数值Mn偏离它的相应估计En的偏差量Dn的最大许可值。这个门限Tn可以对于信号So的帧Fn的所有可能数值Mn都固定在一个给定值上。然而，门限Tn的值也可以是数值Mn的估计En的函数。图5示出了一个可能的函数。在这个例子中，Tn是在第一递增函数f1(是平均Mn的函数)与第二下降函数f2(也是平均Mn的函数)之间的最小值。

对于估计En的一个给定值，许可的偏差必须位于图5右上正象限内，但是不能取位于标为A的那个区域内的值。对于估计En的一个给定值，区域A的上限由在值f1(En)和f2(En)之间的最小值限定。在这个例子中，Tn在估计En较小和较大时选择成较小的。确实，对于象几乎无声的帧那样的低能量的帧Fn和对于高能量的帧来说，数值Mn不应该超过相应估计En很多，否则就会产生讨厌的甚至是对接收者有害的突然噪声。

在本发明的另一个实施例中，门限Tn可以是估计En和表示能量的数值的标准偏差两者的函数。门限Tn的可能值可以从一个存储在一个查找表内的两维表检索出来。这个两维表可以含有对于不同的估计En和标准偏差的值的门限Tn的相应可能值。

对于一个帧Fn，在数值Mn对相应估计的偏差比最大的许可偏差Tn大时，这个帧就认为是异常帧，受到不自然现象污染。任何异常帧Fn在校正装置CORR内得到校正。一个异常帧Fn通过将这个帧的各个样点x(k)乘以一个绝对小于1的正系数予以校正。这样就产生了一个经校正的帧Fcorr，它的样点x’(k)与原来的异常帧Fn的样点x(k)相比是受到了衰减的。在一个异常帧的样点乘以一个为零的系数时，这个帧Fn就完全静音。

对于一个帧Fn，在数值Mn对相应估计En的偏差小于最大许可偏差Tn时，这个帧就认为是正常帧，可以不用修改予以传送。这种情况包括数值Mn小于估计En的情况，这意味着偏差Dn为负数。在这种情况下，不需要对帧Fn进行校正。

校正帧Fcorr和正常帧Fn现在就形成了经校正的信号Scorr，传送给数模转换器变换回模拟信号，例如发送给一个扬声器。在本发明的这个实施例中，任何校正帧Fcorr，包括一个起始帧Fn的校正帧，也传送给得出帧Fcorr的能量的数值的估计的估计装置EST，用来产生一个校正估计。这个校正估计存储在存储单元MEM内，代替为起始异常帧Fn得出的先前估计Mn。这个校正估计可以用于计算下一个帧的估计Mn的式(2)。因此，在本发明的这个实施例中，任何根据式(2)计算一个估计是根据与正常帧或校正帧相应的估值执行的。

本发明的处理电路的这个实施例并不意味着是对本发明的限制。将图4的处理单元10考虑为一个DSP单元也是在本发明的范围内。实际上，DSP单元本身可能就包括运算装置CAL、估计装置EST、存储单元MEM、门限单元TD、比较单元COMP和校正装置所有这些。存储单元MEM可以是DSP自备的或外加的。

图6为按照本发明进行处理的方法的流程图。对于这个流程图来说，每个方框表示一个步骤。第一个步骤在这里没有示出，包括将数字信号So划分成一些相继的帧Fn。然后，在步骤20，如在图4中的运算装置CAL内所执行的那样得出帧Fn的数值Mn。在步骤30，如在图4中的估计装置EST内所执行的那样得出数值Mn的估计En。在步骤40，如在图4中的门限单元TD内所执行的那样得出门限Tn。然后在步骤50，得出偏差Dn再将之与门限Tn相比较。根据比较结果，检测出是异常的帧Fn，在步骤60予以校正。在帧Fn是正常帧时，就不加修改，照样传送。在Dn大于门限Tn时，这个帧Fn就是异常帧，校正为帧Fcorr。在本发明的一个实施例中，在步骤30执行的估计按校正帧Fcorr重新计算。

在处理信号So期间帧的长度L不一定是固定的，而是可以改变的，这也在本发明的范围内。例如，在需要精确校正和信号起伏较大时，可以选择较短的帧长L，例如为40个样点。然而，在信号保持在一个较小的范围内时，可以选择较长的帧长。每当修改帧长L时，处理最好重新初始化。此外，在需要精检测时，帧可以相互交叠。

必须指出的是，在本文中所谓“包括”并不排除存在权利要求书中所列之外的组成部分或步骤。

Claims (10)

1.一种处理一个以一系列样点发送的、划分成一些各包括一组相继样点的相继帧的数字音频信号的处理电路，其特征是所述处理电路包括：得出表示一个帧的能量的数值的运算装置；根据表示至少一个先前帧得出所述表示本帧的能量的数值的一个估计的估计装置；以及在一个帧的能量的数值与相应估计之间的差大于一个预定门限时处理所述帧的各个样点的校正装置。

2.一种如在权利要求1中所提出的处理电路，其特征是所述这些帧具有相同的长度。

3.一种如在权利要求1或2中所提出的处理电路，其特征是所述估计必要时根据至少一个先前经校正装置处理了的先前帧得出。

4.一种如在权利要求1至3的任何一个权利要求中所提出的处理电路，其特征是一个帧的能量的估计是通过对这个帧的能量进行低通滤波得到的。

5.一种如在权利要求1至4的任何一个权利要求中所提出的处理电路，其特征是所述预定门限取决于表示所述帧的能量的数值的估计。

6.一种如在权利要求1至5的任何一个权利要求中所提出的处理电路，其特征是所述预定门限对于较小的和较大的所述表示一个帧的能量的数值的估计的值是较低的。

7.一种接收一个以一系列样点发送的、划分成一些各由一组相继样点形成的相继帧的数字信号的接收机，其特征是所述接收机包括一个如在权利要求1至6的任何一个权利要求中所提出的处理电路。

8.一种在一个发送机与一个接收机之间发送数据帧的通信系统，所述接收机包括一个如在权利要求1至6的任何一个权利要求中所提出的处理电路。

9.一种包括一个提供解码语音信号的语音解码器的移动设备，其特征是所述移动设备还包括一个如在权利要求1至6的任何一个权利要求中所提出的用来处理所述解码语音信号的处理电路。

10.一种处理一个以一系列样点发送的、划分成一些各包括一组相继样点的相继帧的数字信号的方法，其特征是所述方法对于一个帧来说包括下列步骤：

得出一个表示所述帧的能量的数值；

根据所述表示至少一个先前帧的能量的数值得出所述数值的一个估计；以及

在所述表示能量的数值与相应估计之间的差大于一个预定门限时衰减所述帧的各个样点的值。

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